一種高效的串行通信協(xié)議的制定及實(shí)現(xiàn)

宋兵躍 ，吳軍輝 ，楊學(xué)軍 ，黃 斌

(1.同濟(jì)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 200092；2.教育部設(shè)施農(nóng)業(yè)網(wǎng)上合作中心，上海 200092)

1 串行通信介紹

串行通信是將數(shù)據(jù)分成若干二進(jìn)制位(bit)，然后通過(guò)一條線路或一個(gè)通信信道，按照規(guī)定的規(guī)程逐位依次進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的通信(數(shù)據(jù)交換)。串行通信具有占用硬件資源少、可大幅度降低通信線路成本、簡(jiǎn)化通信設(shè)備、應(yīng)用靈活、易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

EIA-RS232、EIA-RS485、電流環(huán)、CAN 等串行通信方式是通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的串行接口。EIA-RS232是全雙工的通信模式，可保證短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速傳輸，EIA-RS485實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)距離下的多點(diǎn)互聯(lián)通信。CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，采用了多主機(jī)制，改善了在集散控制系統(tǒng)下的主從通信模式[2]。隨著應(yīng)用需求的復(fù)雜化，對(duì)串行通信的性能、通信效率的提升需求越來(lái)越明顯。如何制定一套切實(shí)可行、簡(jiǎn)單易用，又能大幅度提高串行通信效率的通信協(xié)議；如何在PC端、嵌入式系統(tǒng)端構(gòu)建一個(gè)高效的串行數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序，是串行通信協(xié)議中等待解決的問(wèn)題。本文將以加油站信息管理系統(tǒng)為例，介紹串行通信協(xié)議的制定以及高效通信數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)。

2 串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

加油站信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每臺(tái)加油機(jī)為一個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)(即圖1中的控制點(diǎn))，通過(guò)半雙工RS-485總線連接至通信控制器，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，通信控制器為主機(jī)(Master)，各加油機(jī)為從機(jī)(Slave)，構(gòu)成一個(gè)主從通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在多種串行接口標(biāo)準(zhǔn)中，RS-485接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、使用傳輸線較少，長(zhǎng)距離通信較經(jīng)濟(jì)，在集散式控制裝置中得到了廣泛應(yīng)用。RS-485采用差分電平傳輸，只需2根信號(hào)線，即可以方便地增加控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目[3]。

通信控制器通過(guò)全雙工RS-232總線與管理PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，管理PC和通信控制器層面的數(shù)據(jù)交互，保證了實(shí)時(shí)性和高效性，采用互為主機(jī)的通信方式，以此構(gòu)成集散控制系統(tǒng)[4]。

2.2 通信協(xié)議格式的定義

2.2.1 協(xié)議幀格式

(1)主機(jī)(Master)下發(fā)數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)(5AH＋A5H)＋長(zhǎng)度(從命令字開(kāi)始到校驗(yàn)和為止的字節(jié)數(shù))＋命令字 HIGH＋命令字 LOW＋機(jī)號(hào)＋參數(shù)＋一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和(從命令字開(kāi)始到校驗(yàn)碼前一個(gè)字節(jié)的邏輯“異或”和)。

(2)從機(jī)(Slave)上傳數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)(9BH＋B9H)＋長(zhǎng)度(從命令字開(kāi)始到校驗(yàn)和為止的字節(jié)數(shù))＋命令字HIGH＋命令字LOW＋機(jī)號(hào)＋參數(shù)＋一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和 (從命令字開(kāi)始到校驗(yàn)碼前一個(gè)字節(jié)的邏輯“異或”和)[5-6]。

2.2.2 協(xié)議幀解釋

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)：采用1個(gè)字節(jié)或多字節(jié)作為幀起始標(biāo)志，該部分的字節(jié)定義應(yīng)盡量與幀數(shù)據(jù)的其他部分完全不一樣。接收方在接收數(shù)據(jù)時(shí)總是先尋找?guī)^。幀頭的排他性將有利于提高各通信節(jié)點(diǎn)的接收效率。

長(zhǎng)度：應(yīng)盡量采用短幀，以避免各種干擾因素對(duì)通信效率的影響。可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，在“長(zhǎng)度”后增加“長(zhǎng)度反碼”或“長(zhǎng)度補(bǔ)碼”等校驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行更為嚴(yán)格的校驗(yàn)。

命令字：根據(jù)實(shí)際通信應(yīng)用需求，可應(yīng)用1～2字節(jié)的通信命令字。

機(jī)號(hào)：該幀所需接收方的地址識(shí)別號(hào)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)其進(jìn)行修改，如增加源地址、目的地址等。

參數(shù)：該幀的應(yīng)用數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的應(yīng)用，考慮到數(shù)據(jù)的安全性，可對(duì)該部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。

校驗(yàn)和：該幀的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的校驗(yàn)方式。

3 高效串行通信方式的實(shí)現(xiàn)

3.1 PC端軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

PC端的軟件首先判斷最高優(yōu)先級(jí)的命令字是否需要發(fā)送，如果需要，則進(jìn)入該命令字的發(fā)送流程；如果沒(méi)有，接著判斷次高級(jí)優(yōu)先級(jí)的命令字是否需要發(fā)送，如果需要，則進(jìn)入發(fā)送流程。根據(jù)命令字的優(yōu)先級(jí)由高到低的順序依次判斷要發(fā)送的命令字，當(dāng)沒(méi)有通信數(shù)據(jù)命令字發(fā)送時(shí)，PC端軟件將發(fā)送輪詢命令字。此外，在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，PC端軟件會(huì)開(kāi)啟接收超時(shí)定時(shí)器T，如果PC端軟件在超時(shí)時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀則進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程，同時(shí)關(guān)閉接收超時(shí)定時(shí)器T；如果系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀，則重新發(fā)送該命令字的幀數(shù)據(jù)，并記錄發(fā)送該命令字的次數(shù)，當(dāng)發(fā)送命令字的幀超過(guò)10次未收到相應(yīng)應(yīng)答命令，即視為該命令字和控制點(diǎn)的通信失敗，將通信流程重新調(diào)整到輪詢命令字狀態(tài)下。

3.2 PC端軟件接收數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

在PC軟件端的接收程序部分，按字節(jié)來(lái)處理接收到的每幀數(shù)據(jù)，而不是按幀來(lái)處理。為此，應(yīng)用程序?qū)⒋诘慕邮罩袛嗟捻憫?yīng)字節(jié)閾值設(shè)為1，即當(dāng)接收緩沖區(qū)有多于1個(gè)數(shù)據(jù)便進(jìn)入接收數(shù)據(jù)處理流程。

當(dāng)開(kāi)始接收一幀數(shù)據(jù)時(shí)，首先找到幀頭，其次應(yīng)根據(jù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和幀長(zhǎng)度的關(guān)系來(lái)分類處理。因?yàn)閃indows對(duì)串口的封裝(開(kāi)發(fā)平臺(tái)為VC++6.0)，使得應(yīng)用程序無(wú)法來(lái)設(shè)定軟件，根據(jù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)閾值來(lái)響應(yīng)串行中斷。所以在通信過(guò)程中當(dāng)PC產(chǎn)生串行中斷時(shí)，應(yīng)根據(jù)串行中斷當(dāng)前數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)做分類處理[7]。

首先，把接收緩沖區(qū)ReceBuffer[M]的數(shù)據(jù)取出來(lái)，放到待處理緩沖區(qū)DealBuffer[M]中(為了防止該幀數(shù)據(jù)還沒(méi)有處理完畢，未處理的數(shù)據(jù)會(huì)被新來(lái)的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失)。其次，要確定接收數(shù)據(jù)的幀頭，方法就是逐字節(jié)查找，一般幀頭在接收緩沖區(qū)中出現(xiàn)的位置有3種情況，如圖2所示，每一個(gè)方格代表一個(gè)字節(jié)。

圖2 接收幀頭出現(xiàn)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的位置

如果幀頭就是接收緩沖區(qū)的前兩個(gè)字節(jié)(如圖2(a)所示)，則按照通信協(xié)議依次處理剩下的接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)。用全局變量表示接收緩沖區(qū)處理步驟S，正確接收到2個(gè)幀頭后P賦值為2。

如果幀頭在接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的不連續(xù)字節(jié)內(nèi)(如圖2(b)所示)，應(yīng)把從第2個(gè)幀頭開(kāi)始的有效數(shù)據(jù)移到第 1個(gè)幀頭后，如圖3所示，使得待處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)形成連續(xù)的一幀數(shù)據(jù)來(lái)繼續(xù)下一步的處理。

如果幀頭分散在兩個(gè)數(shù)據(jù)幀中(如圖 2(c)所示)，即PC響應(yīng)串行中斷第1次接收到第1個(gè)幀頭，第2次響應(yīng)或者第n次響應(yīng)串行中斷接收到第2個(gè)幀頭。當(dāng)接收到第1個(gè)幀頭后，S賦值為1。當(dāng)下次響應(yīng)串行中斷時(shí)，判斷S的值，如果是1，表示第 1個(gè)幀頭已經(jīng)找到，開(kāi)始在接收到的幀數(shù)據(jù)中尋找第2個(gè)幀頭；如果找到，S賦值為2，并把從第2個(gè)幀頭開(kāi)始的有效數(shù)據(jù)移到第1個(gè)幀頭后，使待處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)形成連續(xù)的一幀數(shù)據(jù)來(lái)處理。

圖3 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)移位前后示意圖

判斷命令字是否為協(xié)議中規(guī)定的合法命令字。如果是，將根據(jù)命令字所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度來(lái)判斷該幀數(shù)據(jù)的合法性，因?yàn)樵谥贫ㄍㄐ艆f(xié)議時(shí)，規(guī)定了特定命令字所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，這兩點(diǎn)約束條件可以保證接收數(shù)據(jù)的合法性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果命令字和其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度值合法則將S賦值為3，進(jìn)入下一步的數(shù)據(jù)處理步驟。

最后，關(guān)閉發(fā)送定時(shí)器，防止處理的過(guò)程中有新的接收數(shù)據(jù)影響處理有效數(shù)據(jù)的過(guò)程。處理完畢，打開(kāi)發(fā)送定時(shí)器，根據(jù)處理過(guò)程中標(biāo)志位的改變情況繼續(xù)與控制點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信。在處理接收數(shù)據(jù)的步驟中，如果任何一個(gè)步驟出現(xiàn)非法數(shù)據(jù)，則清空ReceBuffer[M]和DealBuffer[M]，認(rèn)為該幀數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)，丟棄該幀數(shù)據(jù)，并初始化接收變量，重新設(shè)定接收超時(shí)定時(shí)器，接收下一次通信數(shù)據(jù)。

本文通過(guò)完整的串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，在PC軟件發(fā)送端始終處于通信狀態(tài)，能以很快的速度響應(yīng)系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定的命令字及其數(shù)據(jù)的發(fā)送。同時(shí)，在PC軟件接收端，采用逐字節(jié)處理的方式，通過(guò)設(shè)定全局變量來(lái)確定處理接收數(shù)據(jù)幀的步驟，細(xì)化了處理接收數(shù)據(jù)的過(guò)程，保證了數(shù)據(jù)高效可靠的傳輸。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在上海寶鋼集團(tuán)加油站信息管理系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此協(xié)議的通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、通信效率高效可靠、自適應(yīng)能力強(qiáng)，具有在相關(guān)領(lǐng)域推廣的價(jià)值和意義。

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