嵌入式環(huán)境下串行幀通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在嵌入式環(huán)境下，因設(shè)備間通信距離較遠(yuǎn)，多采用串行通信方式，但許多串行通信協(xié)議只適用于協(xié)議設(shè)計(jì)時的應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境，不具有通用性，且有些協(xié)議存在通信失敗的風(fēng)險。通過分析設(shè)備間的通信需求，設(shè)計(jì)了一種分層的串行幀通信協(xié)議，該協(xié)議簡單可靠，能適應(yīng)多種系統(tǒng)環(huán)境。在嵌入式Linux系統(tǒng)環(huán)境下，該協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：串行通信；協(xié)議設(shè)計(jì)；嵌入式Linux系統(tǒng)；應(yīng)用層；鏈路層

嵌入式系統(tǒng)之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。并行方式傳輸數(shù)據(jù)速度快，但占用的通信線多，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前RS 232串口是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，它應(yīng)用于點(diǎn)對點(diǎn)通信模式，實(shí)際使用中多采用最簡單的三線方式連接，即兩端設(shè)備的串口只連接收、發(fā)、地三根線，即可實(shí)現(xiàn)簡單的全雙工通信。通信協(xié)議是兩端設(shè)備數(shù)據(jù)交換的語言，是通信可靠性的保證，在保證功能的前提下，通信協(xié)議應(yīng)該力求簡潔。

1 系統(tǒng)通信需求
本系統(tǒng)主要完成野外環(huán)境下時間間隔測量和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集的功能，系統(tǒng)內(nèi)各模塊均選用三星公司的S3C2440芯片為處理器，操作系統(tǒng)使用嵌入式Linux。模塊間通信的主要任務(wù)為控制命令的下發(fā)與應(yīng)答、工作狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)的上報等，對通信的可靠性要求較高，無數(shù)據(jù)加密需求。
根據(jù)系統(tǒng)軟硬件情況設(shè)定串口工作參數(shù)如下：115 200波特率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)、無流控。波特率的設(shè)置需要綜合考慮所選用芯片的串口性能、串口連接線長度、傳輸數(shù)據(jù)的最大幀長和應(yīng)用過程中的誤碼率等；無流控則是由于串口使用三線方式連接。

2 通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)
為保證不同設(shè)備之間通信協(xié)議的通用性，降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，將通信協(xié)議為分上下兩層：上層為應(yīng)用層，規(guī)范了設(shè)備間應(yīng)用程序通信使用的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式；下層為鏈路層，提供物理線路數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，應(yīng)用層數(shù)據(jù)拆分與合并、封裝與解封裝以及錯誤檢測功能。協(xié)議應(yīng)用層部分根據(jù)各設(shè)備功能的不同使用不同的數(shù)據(jù)格式，而鏈路層部分則完全通用。應(yīng)用層通信過程如圖1所示。

發(fā)方設(shè)備按照約定的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式構(gòu)造應(yīng)用層數(shù)據(jù)，交由鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆分、封裝、校驗(yàn)，再將生成的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送至物理線路；收方設(shè)備則從物理線路上接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行幀定位、解封裝、錯誤檢測、數(shù)據(jù)合并等，最后將應(yīng)用層數(shù)據(jù)上交給應(yīng)用層處理。收發(fā)方設(shè)備的應(yīng)用層可根據(jù)用戶需求的變化，不斷修改應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式，并利用鏈路層提供的功能接口完成通信功能，故該通信協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于鏈路層，以下著重闡述鏈路層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3 鏈路層設(shè)計(jì)
鏈路層主要包含以下功能：數(shù)據(jù)拆分與合并、數(shù)據(jù)封裝與解封裝、數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收以及錯誤檢測與重發(fā)機(jī)制。
3．1 數(shù)據(jù)拆分與合并
數(shù)據(jù)拆分即是把過長的應(yīng)用層數(shù)據(jù)分成幾部分，用多幀數(shù)據(jù)幀發(fā)送，接收端收到后再進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，上交給應(yīng)用層處理。過長的應(yīng)用層數(shù)據(jù)如果不進(jìn)行拆分，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀超出設(shè)計(jì)的緩沖區(qū)大小，也可能造成發(fā)送時間太長導(dǎo)致超時錯誤。這個長度需要根據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)置，當(dāng)數(shù)據(jù)幀傳輸出現(xiàn)錯誤時，這幀數(shù)據(jù)就需要重新傳輸，長度太大將造成較大開銷；長度太小，封裝時產(chǎn)生的開銷字節(jié)所占比例又太高，影響傳輸效率。
3．2 數(shù)據(jù)封裝與解封裝
數(shù)據(jù)封裝即是以一定格式把拆分后的應(yīng)用層數(shù)據(jù)加上功能指示、數(shù)據(jù)長度等字段，以便對方收到后知道如何處理。數(shù)據(jù)封裝格式及功能指示字段含義如表1，表2所示。