基于51單片機(jī)串口通信中的檢錯(cuò)方法設(shè)計(jì)

0 引言
對(duì)于基于flash控制器的8051的芯片結(jié)構(gòu)，一般在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，都是先通過串口將數(shù)據(jù)傳送到flash控制器的buffer中。由于buffer的大小為512 bytes，所以每次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為512bytes。本文中所討論的三種檢錯(cuò)方法的傳輸數(shù)據(jù)量均為512 bytes。

1 檢錯(cuò)方式
基于8051的串口數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái)框圖如圖1所示。利用該平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通常有三種數(shù)據(jù)檢錯(cuò)方式。

1．1 奇偶校驗(yàn)
奇偶校驗(yàn)是檢錯(cuò)中比較常見的一種方法。它利用數(shù)據(jù)中的1的個(gè)數(shù)作為檢錯(cuò)的標(biāo)志位，若1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)，則錯(cuò)誤檢測(cè)的標(biāo)志位為1，若1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則錯(cuò)誤檢測(cè)的標(biāo)志位為0。在發(fā)送端和接收端同時(shí)檢測(cè)奇偶位，若得到相同的結(jié)果，則說明數(shù)據(jù)傳輸過程無錯(cuò)誤發(fā)生；若得到不同的結(jié)果，則說明數(shù)據(jù)傳輸過程中有錯(cuò)誤發(fā)生，此時(shí)8051會(huì)發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤重傳的信號(hào)，讓PC端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。
1．2 循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)
CRC是利用除法和余數(shù)的原理來進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)(Error Detecting)。如果原始數(shù)據(jù)為多項(xiàng)式JP(x)，則將P(x)對(duì)生成的多項(xiàng)式G(x)進(jìn)行模2除法，再將得到的余式R(x)作為生成的CRC校驗(yàn)碼，用公式可以表示為：
P(x)=Q(x)·G(x)+R(x)
上式中的Q(x)為除法得到的商。發(fā)送端將原始數(shù)據(jù)P(x)和生成的CRC校驗(yàn)碼R(x)發(fā)送到接收端。接收端則根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)P'(x)算出另外的一個(gè)CRC校驗(yàn)碼R'(x)，然后對(duì)兩個(gè)CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，即可得出在傳輸過程中是否有錯(cuò)誤發(fā)生。若發(fā)生錯(cuò)誤，則用發(fā)送端重傳。本文中所采用的CRC8所生成的多項(xiàng)式G(x)為：x2+x5+x4+1。

1．3 漢明碼(Hamming)
漢明碼是在一組代碼中加入一定數(shù)量的冗余，以形成一組新的數(shù)據(jù)。新加入的冗余數(shù)據(jù)被稱為校驗(yàn)位。若某個(gè)信息位出錯(cuò)，則將引起幾組奇偶校驗(yàn)結(jié)果均出錯(cuò)，由此根據(jù)奇偶組的檢錯(cuò)，便可確定誤碼的信息位及性質(zhì)。漢明碼具有如下特點(diǎn)：
碼長(zhǎng)：N＝2m－1
信息碼位：k=2m-m-1
監(jiān)督碼位：r=N-k=m，其中m≥2正整數(shù)
由于本文中的檢錯(cuò)對(duì)象是串口發(fā)送，一次發(fā)送8 bits數(shù)據(jù)，故需要的冗余位為4 bits，本文采用的漢明碼為(12，8)，其編碼由8 bits數(shù)據(jù)和4bits組成。設(shè)數(shù)據(jù)分別為a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7。檢驗(yàn)位為a8，a9，a10，a11,它們可按下面的式子決定：

2 測(cè)試環(huán)境及原理
本文的測(cè)試平臺(tái)分為兩部分，即PC串口發(fā)送部分和8051串口接收部分。PC通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，每次串口發(fā)送的單位為8 bits。8051通過串口接收PC發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于硬件的限制，8051中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的buffer最大為512 bytes。所以PC端的數(shù)據(jù)每次也只發(fā)送512 bytes，總共測(cè)試的數(shù)據(jù)大小為8 K bytes，傳輸完8 K bytes的數(shù)據(jù)需要16次。串口傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?7600。8051接收來自PC的數(shù)據(jù)，每次接收512 bytes數(shù)據(jù)，并進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。若檢測(cè)到錯(cuò)誤，則給PC發(fā)送一個(gè)重傳請(qǐng)求，若沒有檢測(cè)到錯(cuò)誤，則給PC發(fā)送一個(gè)繼續(xù)傳輸?shù)拿睢?BR> 為了提高傳輸效率，在不影響檢錯(cuò)的情況下，可分別對(duì)奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)、漢明碼校驗(yàn)采用不同的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。
奇偶校驗(yàn)每發(fā)送8 bits數(shù)據(jù)就算出1 bit的奇偶位，在算出8 bits的奇偶位之后，再將校驗(yàn)位一起發(fā)送到8051，其中數(shù)據(jù)D為512 bytes，Group為64bytes，data為8 bits數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

CRC校驗(yàn)時(shí)，每512 bytes數(shù)據(jù)產(chǎn)生1bytes校驗(yàn)位并發(fā)送到8051，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中D為512 bytes，data為512 bytes，CRC byte為8bit。即每512個(gè)bytes得到一個(gè)CRC校驗(yàn)值。漢明碼由于采用了(12，4)，每8 bits數(shù)據(jù)產(chǎn)生4 bits的校驗(yàn)位。故其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中，D為512 bytes的數(shù)據(jù)，data為8 bits的數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果分析
本文通過相同的環(huán)境，綜合比較了三種錯(cuò)誤檢測(cè)的實(shí)際效率，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1是根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)短和波特率計(jì)算出來的理論值，實(shí)際測(cè)試值則是調(diào)用PC端的時(shí)間函數(shù)來測(cè)試的。為了提高漢明碼的解碼效率，本文在8051上通過匯編語言進(jìn)行解碼。通過對(duì)得出的表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可見，CRC校驗(yàn)具有最好的檢錯(cuò)效率，且差錯(cuò)率低，耗時(shí)適中。

4 結(jié)束語
本文通過對(duì)串口傳輸中三種檢錯(cuò)方法的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析了它們的檢錯(cuò)結(jié)果和效率。在奇偶校驗(yàn)中，為了提高檢錯(cuò)速度，8051端可采用匯編語言直接讀取標(biāo)志位寄存器中的奇偶標(biāo)識(shí)。而在漢明碼中，則可分別采用C語言和匯編語言來進(jìn)行編程。三種檢錯(cuò)方法中，耗時(shí)最低的是奇偶校驗(yàn)，其檢錯(cuò)的速度最快，CRC8次之，檢錯(cuò)最慢的是漢明碼。誤差率最低的為CRC8，其次為漢明碼，奇偶校驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤的概率比較大。
由于是串口通信，出錯(cuò)的概率比較小，因此，傳輸較大文件時(shí)，檢錯(cuò)一般采用奇偶校驗(yàn)，只有對(duì)誤差率要求較高的場(chǎng)合，才用到CRC。漢明碼一般很少用于檢錯(cuò)場(chǎng)合。