嵌入式系統(tǒng)中串口通信幀的同步方法研究

串口通信是日前單片機(jī)和DSP等嵌入式系統(tǒng)之間，以及嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)或無(wú)線(xiàn)模塊之間的一種非常重要且普遍使用的通信方式。在嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常只有一個(gè)8位或16位的CPU，不僅要完成主流程的工作，同時(shí)還要處理隨時(shí)發(fā)生的各種中斷，因而嵌入式系統(tǒng)中的串口通信程序設(shè)計(jì)與PC機(jī)有很大的不同。若嵌入式系統(tǒng)中．中斷服務(wù)子程序在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中占用了較多的時(shí)間，就有可能在中斷服務(wù)子程序正運(yùn)行時(shí)，又產(chǎn)生一個(gè)同類(lèi)型或其他類(lèi)型的中斷，從而造成主程序得不到執(zhí)行或后續(xù)中斷數(shù)據(jù)丟失。所以，嵌入式系統(tǒng)中的串口通信雖然看似簡(jiǎn)單，但其中仍有許多問(wèn)題值得研究，例如串口通信過(guò)程中的幀同步問(wèn)題。本文針對(duì)該問(wèn)題給出了逐次比較、基于FIFO隊(duì)列和基于狀態(tài)機(jī)的3種幀同步方法。通過(guò)測(cè)試、分析和比較得出，基于有限狀態(tài)機(jī)的方法是嵌入式系統(tǒng)串口通信中很有效的幀同步方法，同時(shí)也是一種很不錯(cuò)的串口通信程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

二、串口通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代工業(yè)控制，往往需要由多個(gè)獨(dú)立的控制模塊來(lái)共同完成。它們之間通過(guò)串口通信完成復(fù)雜的控制過(guò)程，必須在通信過(guò)程中加入必要的通信協(xié)議，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；而要完成特定的通信協(xié)議，就得有一定的同步機(jī)制。下面介紹一下簡(jiǎn)化的串口通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，以便分析說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)串口通信過(guò)程中的幀同步方法。

假定串口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為：

其中：包頭用于同步，一般是一個(gè)或多個(gè)ASCII字符，本文中假定數(shù)據(jù)幀同步頭有2字節(jié)(0xAA、0x55)；包長(zhǎng)表示數(shù)據(jù)包中除去包頭和包長(zhǎng)的字節(jié)數(shù)，一般用約定好的幾個(gè)字節(jié)表示；類(lèi)型為通信協(xié)議里規(guī)定的命令類(lèi)型；數(shù)據(jù)為應(yīng)發(fā)送的主要信息；校驗(yàn)通常采用單字節(jié)“異或的方法。

二、串口通信中的幀同步方法

1、逐次比較的幀同步方法

首先等待串口數(shù)據(jù)，將接收到的第1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)與約定好的包頭信息的第1個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較。如果不正確，則等待新字節(jié)，直到接收的數(shù)據(jù)與包頭信息的第1個(gè)字節(jié)相同。第1個(gè)字節(jié)比較正確以后，將收到的第2個(gè)字節(jié)與包頭信息的第2個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較。如果仍然正確，則說(shuō)明串口接收已經(jīng)同步，可以開(kāi)始接收數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)部分；否則，重新開(kāi)始同步過(guò)程。其程序流程如圖1所示。

此種方法代碼量小，編程簡(jiǎn)單，一般用于在主程序中以非中斷方式接收串口數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)性很差、數(shù)據(jù)幀較短的場(chǎng)合。但是，在串口速度過(guò)快且包頭字節(jié)數(shù)比較多的情況下，串口實(shí)現(xiàn)同步花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)或很難實(shí)現(xiàn)同步。例如，串口接收到序列Ox0O OxAA 0xAA 0x55…，當(dāng)遇到第一個(gè)“0xAA時(shí)，該方法認(rèn)為第1個(gè)字節(jié)正確開(kāi)始比較第2個(gè)同步頭。第2個(gè)字節(jié)仍是“0xAA而不是“0x55，所以必須等待新的字節(jié)重新開(kāi)始比較第1個(gè)同步頭。而緊隨其后的是“0x55，因而，此時(shí)包頭的第1個(gè)字節(jié)也沒(méi)有同步上。事實(shí)上，“0x00 OxAA是干擾字節(jié)，“0xAA 0x55才是通信協(xié)議中的同步頭。

2、基于FIFO隊(duì)列的幀同步方法

根據(jù)同步包頭的長(zhǎng)度，定義一個(gè)相同長(zhǎng)度的全局字節(jié)數(shù)組，把該數(shù)組看成是一個(gè)如圖2所示的先入先出(FIFO)的隊(duì)列。程序流程如圖3所示。

本例中定義兩個(gè)字節(jié)HEADl和HEAD2，都初始化為0xFF。同步時(shí)，丟棄數(shù)組頭字節(jié)HEADl，數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)向前移動(dòng)一個(gè)字節(jié)，串口接收到的新字節(jié)存入數(shù)組末字節(jié)HEAD2中，將整個(gè)數(shù)組與協(xié)議中的包頭信息比較。如果正確，則置位已同步標(biāo)志位，然后開(kāi)始接收、存儲(chǔ)有用數(shù)據(jù)；否則，繼續(xù)等待同步。串口數(shù)據(jù)接收完后，不僅要清除已同步標(biāo)志，還要把HEADl和HEAD2兩個(gè)字節(jié)都賦值0xFF；否則，將會(huì)影響下一幀數(shù)據(jù)的同步和接收。用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…進(jìn)行測(cè)試，隨著串口接收中斷收到新的字節(jié)。幀同步隊(duì)列中的數(shù)據(jù)依次為：[0xFF，0xFF]→[0x00，0xFF]→[0xAA，0x00]→[0xAA，0xAA]→[0x55，0xAA]。此時(shí)，該算法檢測(cè)出[HEAD2，HEAD2]==[0x55，0xAA]，從而實(shí)現(xiàn)了同步，置位已同步標(biāo)志位以便下次進(jìn)入串口接收中斷服務(wù)子程序時(shí)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分。

此種方法與逐次比較的幀同步方法相比，能夠比較快速、正確地檢測(cè)出同步包頭；但是如果包頭的字節(jié)數(shù)很多，同步過(guò)程中每次進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序都要進(jìn)行大量的字節(jié)搬移，將必然耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。為了使嵌入式系統(tǒng)更健壯，程序設(shè)計(jì)應(yīng)把握的基本原則之一就是使中斷處理程序最短。所以基于FIFO隊(duì)列的幀同步方法也不是最優(yōu)的。

3、基于有限狀態(tài)機(jī)的幀同步方法

為解決以上問(wèn)題，可以采用基于有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法。該方法將數(shù)據(jù)幀的接收過(guò)程分為若干個(gè)狀態(tài)：接收信息頭HEADl狀態(tài)、接收信息頭HEAD2狀態(tài)、接收包長(zhǎng)狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)類(lèi)型狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)狀態(tài)及接收校驗(yàn)和狀態(tài)。系統(tǒng)的初始狀態(tài)為HEADl狀態(tài)，各接收狀態(tài)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，仍用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…進(jìn)行測(cè)試。隨著串口接收中斷新字節(jié)的接收，系統(tǒng)的接收狀態(tài)依次為HEAD1→HEAD1→HEAD2→HEAD2→LEN?？梢?jiàn)此時(shí)就是同步狀態(tài)。該方法也快速、有效地實(shí)現(xiàn)了同步；但是需要注意的是，在每一次接收完1幀完整的數(shù)據(jù)之后，必須把系統(tǒng)的接收狀態(tài)重新設(shè)置為HEADl，否則將會(huì)影響下一幀的數(shù)據(jù)接收。

此后，程序按照協(xié)議開(kāi)始依次接收數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、命令類(lèi)型、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位。接收完后，重新設(shè)置系統(tǒng)接收狀態(tài)為HEADl，同時(shí)對(duì)該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)正確后，利用消息機(jī)制通知主程序根據(jù)命令類(lèi)型對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理或執(zhí)行相應(yīng)的命令操作。

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