嵌入式環(huán)境下串行幀通信的設(shè)計(jì)

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。

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(shí)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(xiǎn)。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。

1 系統(tǒng)通信需求

本系統(tǒng)主要完成野外環(huán)境下時(shí)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(bào)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(cuò)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(cuò)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(cuò)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(shí)間太長導(dǎo)致超時(shí)錯(cuò)誤。這個(gè)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(cuò)誤時(shí)，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(shí)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。

3.3 幀發(fā)送與接收

鏈路層以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，一種普遍的界定幀起始與結(jié)束的方法是：在待發(fā)送數(shù)據(jù)的頭部和尾部加入特殊的起始碼和結(jié)束碼，如果在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了這個(gè)碼型，就必須在數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理，把它轉(zhuǎn)換成其他碼型，否則將導(dǎo)致幀定位錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)通信失敗。很多協(xié)議實(shí)現(xiàn)者為求實(shí)現(xiàn)簡單沒有進(jìn)行這種轉(zhuǎn)義，存在通信失敗的風(fēng)險(xiǎn)，其實(shí)在點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(PPP協(xié)議)中的描述了一種轉(zhuǎn)義處理方法，經(jīng)簡化后，實(shí)現(xiàn)起來也并不復(fù)雜，描述如下：

數(shù)據(jù)發(fā)送方在幀首處發(fā)送0x7E作為起始碼，逐字節(jié)發(fā)送封裝后的數(shù)據(jù)，遇到0x7E時(shí)，發(fā)送0x7D，0x5E字節(jié)序列，遇到0x7D時(shí)，發(fā)送0x7 D，0x5D字節(jié)序列，最后在幀尾處發(fā)送0x7E作為結(jié)束碼;

數(shù)據(jù)接收方在串口數(shù)據(jù)流中搜索第一個(gè)0x7E作為幀起始(連續(xù)的0x7E則以最后一個(gè)為幀起始)，逐字節(jié)接收數(shù)據(jù)，遇到0x7D時(shí)，跳過不處理，而把該字節(jié)的后一個(gè)字節(jié)加上0x20，直到遇到0x7E認(rèn)為幀結(jié)束。

在鏈路幀發(fā)送前，應(yīng)使用CRC16算法對封裝數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)多項(xiàng)式為，校驗(yàn)值寫入校驗(yàn)字段中;在鏈路幀接收后，先對其進(jìn)行校驗(yàn)，如果檢驗(yàn)成功再進(jìn)行數(shù)據(jù)解封裝處理，如果校驗(yàn)失敗則按照下述重發(fā)機(jī)制進(jìn)行重發(fā)。

3.4 錯(cuò)誤檢測與重發(fā)機(jī)制

綜合考慮協(xié)議實(shí)現(xiàn)的簡單性和數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性，決定采用停等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，過程如下：

發(fā)送方發(fā)送一幀數(shù)據(jù)幀后，設(shè)置一個(gè)最長等待時(shí)間，等待接收對方的確認(rèn)幀或拒絕幀，若收到確認(rèn)幀則發(fā)送下一幀;若收到拒絕幀或者在超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)幀或拒絕幀，則重發(fā)當(dāng)前幀，因等待超時(shí)而重發(fā)的幀要設(shè)置超時(shí)指示位。當(dāng)連續(xù)收到拒絕幀三次或連續(xù)超時(shí)重發(fā)三次，則認(rèn)為對端不可達(dá)，取消當(dāng)前幀的發(fā)送，上報(bào)錯(cuò)誤給應(yīng)用層。

接收方收到數(shù)據(jù)幀后，當(dāng)超時(shí)指示位為0時(shí)，如果校驗(yàn)正確，則發(fā)送確認(rèn)幀，并處理此幀，如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，則發(fā)送拒絕幀，不處理該幀;當(dāng)超時(shí)指示位為1時(shí)，說明對方未正確收到確認(rèn)幀或拒絕幀，如果上次非重發(fā)幀的校驗(yàn)結(jié)果是正確的，則該幀實(shí)際上已經(jīng)處理過，直接發(fā)送確認(rèn)幀即可;如果上次非重發(fā)幀的校驗(yàn)結(jié)果是錯(cuò)誤的，則根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果正常處理該幀。

4 鏈路層實(shí)現(xiàn)

鏈路層采用C++語言實(shí)現(xiàn)，以便于代碼在各模塊程序中復(fù)用。應(yīng)用層數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖2，圖3所示。

5 結(jié)語

鏈路層的作用是可靠地把應(yīng)用層數(shù)據(jù)發(fā)送到對端設(shè)備，但如果僅僅是這樣，應(yīng)用程序使用起來并不是很方便，如果使用面向?qū)ο缶幊痰姆椒?，把鏈路層代碼封裝在一個(gè)類中，向應(yīng)用程序提供一些較為簡單的功能接口，如發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，檢測對端是否可達(dá)等，就可以很好地解決易用性問題。另外當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗時(shí)，應(yīng)當(dāng)以返回值或事件方式通知應(yīng)用程序，當(dāng)有應(yīng)用層數(shù)據(jù)需要處理時(shí)，最好以回調(diào)函數(shù)或事件方式激活應(yīng)用層處理程序，以避免應(yīng)用程序低效的循環(huán)檢測。通過在協(xié)議設(shè)計(jì)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，該協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出極好的可靠性和一定的通用性，可供參考借鑒。