單片機(jī)通信協(xié)議處理

現(xiàn)在大部分的儀器設(shè)備都要求能過通過上位機(jī)軟件來操作，這樣方便調(diào)試，利于操作。其中就涉及到通信的過程。在實(shí)際制作的幾個(gè)設(shè)備中，筆者總結(jié)出了通信程序的通用寫法，包括上位機(jī)端和下位機(jī)端等

1. 自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議

這里所說的數(shù)據(jù)協(xié)議是建立在物理層之上的通信數(shù)據(jù)包格式。所謂通信的物理層就是指我們通常所用到的RS232、RS485、紅外、光纖、無線等等通信方式。在這個(gè)層面上，底層軟件提供兩個(gè)基本的操作函數(shù)：發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)、接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)協(xié)議全部建立在這兩個(gè)操作方法之上。

通信中的數(shù)據(jù)往往以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳送的，我們把這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)包稱作為一幀數(shù)據(jù)。類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的TCPIP協(xié)議一般，比較可靠的通信協(xié)議往往包含有以下幾個(gè)組成部分：幀頭、地址信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)塊、校驗(yàn)碼、幀尾。

幀頭和幀尾用于數(shù)據(jù)包完整性的判別，通常選擇一定長度的固定字節(jié)組成，要求是在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈中判別數(shù)據(jù)包的誤碼率越低越好。減小固定字節(jié)數(shù)據(jù)的匹配機(jī)會，也就是說使幀頭和幀尾的特征字節(jié)在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈中能夠匹配的機(jī)會最小。通常有兩種做法，一、減小特征字節(jié)的匹配幾率。二、增加特征字節(jié)的長度。通常選取第一種方法的情況是整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路中的數(shù)據(jù)不具有隨即性，數(shù)據(jù)可預(yù)測，可以通過人為選擇幀頭和幀尾的特征字來避開，從而減小特征字節(jié)的匹配幾率。使用第二種方法的情況更加通用，適合于數(shù)據(jù)隨即的場合。通過增加特征字節(jié)的長度減小匹配幾率，雖然不能夠完全的避免匹配的情況，但可以使匹配幾率大大減小，如果碰到匹配的情況也可以由校驗(yàn)碼來進(jìn)行檢測，因此這種情況在絕大多說情況下比較可靠。

地址信息主要用于多機(jī)通信中，通過地址信息的不同來識別不同的通信終端。在一對多的通信系統(tǒng)中，可以只包含目的地址信息。同時(shí)包含源地址和目的地址則適用于多對多的通信系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)塊是主要的數(shù)據(jù)部分。數(shù)據(jù)類型可以標(biāo)識后面緊接著的是命令還是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度用于指示有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

校驗(yàn)碼則用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和正確性。通常對數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)塊三個(gè)部分進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算得到。最簡單的做法可是對數(shù)據(jù)段作累加和，復(fù)雜的也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC運(yùn)算等等，可以根據(jù)運(yùn)算速度、容錯度等要求來選取。

2. 上位機(jī)和下位機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)送

物理通信層中提供了兩個(gè)基本的操作函數(shù)，發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)則為數(shù)據(jù)發(fā)送的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)包的發(fā)送即把數(shù)據(jù)包中的左右字節(jié)按照順序一個(gè)一個(gè)的發(fā)送數(shù)據(jù)而已。當(dāng)然發(fā)送的方法也有不同。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，比較常用的方法是直接調(diào)用串口發(fā)送單個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)是需要處理器在發(fā)送過程中全程參與，優(yōu)點(diǎn)是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠立即的出現(xiàn)在通信線路上，能夠立即被接收端接收到。另外一種方法是采用中斷發(fā)送的方式，所有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)被送入一個(gè)緩沖區(qū)，利用發(fā)送中斷將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用處理器資源小，但是可能出現(xiàn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)不能立即被發(fā)送的情況，不過這種時(shí)延相當(dāng)?shù)男　τ?1系列單片機(jī)，比較傾向于采用直接發(fā)送的方式，采用中斷發(fā)送的方式比較占用RAM資源，而且對比直接發(fā)送來說也沒有太多的優(yōu)點(diǎn)。以下是51系列單片機(jī)中發(fā)送單個(gè)字節(jié)的函數(shù)。

void SendByte(unsigned char ch)

{

SBUF = ch;

while(TI == 0);

TI = 0;

}

上位機(jī)中關(guān)于串口通信的方式也有多種，這種方式不是指數(shù)據(jù)有沒有緩沖的問題，而是操作串口的方式不同，因?yàn)镻C上數(shù)據(jù)發(fā)送基本上都會被緩沖后再發(fā)送。對于編程來說操作串口有三種方式，一、使用windows系統(tǒng)中自帶的串口通信控件，這種方式使用起來比較簡單，需要注意的是接收時(shí)的阻塞處理和線程機(jī)制。二、使用系統(tǒng)的API直接進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取，在windows和linux系統(tǒng)中，設(shè)備被虛擬為文件，只需要利用系統(tǒng)提供的API函數(shù)即可進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和讀取。三、使用串口類進(jìn)行串口操作。在此只介紹windows環(huán)境下利用串口類編程的方式。

CSERialport是比較好用的串口類。它提供如下的串口操作方法：

void WriteToPort(char* string, int len);

串口初始化成功后，調(diào)用此函數(shù)即可向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。為了避免串口緩沖所帶來的延時(shí)，可以開啟串口的沖刷機(jī)制。

3. 下位機(jī)中的數(shù)據(jù)接收和協(xié)議解析

下位機(jī)接收數(shù)據(jù)也有兩種方式，一、等待接收，處理器一直查詢串口狀態(tài)，來判斷是否接收到數(shù)據(jù)。二、中斷接收。兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)在此前的一篇關(guān)于串口通信的文章中詳細(xì)討論過。得出的結(jié)論是采用中斷接收的方法比較好。

數(shù)據(jù)包的解析過程可以設(shè)置到不同的位置。如果協(xié)議比較簡單，整個(gè)系統(tǒng)只是處理一些簡單的命令，那么可以直接把數(shù)據(jù)包的解析過程放入到中斷處理函數(shù)中，當(dāng)收到正確的數(shù)據(jù)包的時(shí)候，置位相應(yīng)的標(biāo)志，在主程序中再對命令進(jìn)行處理。如果協(xié)議稍微復(fù)雜，比較好的方式是將接收的數(shù)據(jù)存放于緩沖區(qū)中，主程序讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析。也有兩種方式交叉使用的，比如一對多的系統(tǒng)中，首先在接收中斷中解析“連接”命令，連接命令接收到后主程序進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，采用查詢的方式來解析其余的協(xié)議。