異步串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言
     在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，CPU和外部通信主要有兩種方 式：并行通信和串行通信。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳 送；串行通信，即數(shù)據(jù)按位次序傳送。串行通信能夠節(jié)省傳 輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)更 為突出?，F(xiàn)在流行的高級(jí)語(yǔ)言一般都支持對(duì)串口直接操作， 常用的單片機(jī)也把串行通訊口作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口集成在單片 機(jī)內(nèi)，串行通訊接口的開(kāi)發(fā)具有開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單等特 點(diǎn)。目前異步串行通信已廣泛用于微機(jī)之間的通信、工業(yè)控 制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳送等領(lǐng)域。

1 串口通信的基本原理
在嵌入式系統(tǒng)中，串口是一種重要的數(shù)據(jù)通信接口， 其本質(zhì)功能是，在CPU和串行設(shè)備間進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換。當(dāng)CPU 通過(guò)串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位串；接 收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位串被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序使用串 口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求 (打開(kāi)串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。
典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：(1)地線；(2)發(fā)送數(shù)據(jù)線；(3)接收數(shù)據(jù)線。串口通

圖1  通信命令格式  

圖2  通信時(shí)序
信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)互相通信的端口，這些參數(shù)必須一致：波特率衡量通 信速度，表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)；數(shù)據(jù)位衡量通信中 實(shí)際數(shù)據(jù)位寬，標(biāo)準(zhǔn)值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于具體 需求；停止位用于表示單個(gè)包的最后一位，典型值為1，1.5 和2位，停止位不僅僅表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，還能提供計(jì)算機(jī)校 正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)；奇偶校驗(yàn)位是串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢 錯(cuò)方式，有四種檢錯(cuò)方式——偶、奇、高和低，也可以沒(méi)有 校驗(yàn)位。

2 異步串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
通信協(xié)議是通信雙方共同遵守的約定，對(duì)同步方式、 傳送速度、傳送步驟及檢糾錯(cuò)方式定義等問(wèn)題做出統(tǒng)一規(guī) 定。
在 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 單 片 機(jī) 間 通 信 一 般 采 用 異 步 串 行 通 信，傳統(tǒng)的異步串行通信協(xié)議一般采用如圖1所示的命令格 式，命令消息括幀頭(命令碼)、 數(shù) 據(jù) 場(chǎng) 、 校 驗(yàn) 場(chǎng) ；響應(yīng)消息為ACK信號(hào) ( A C K 取 不 同 的 值 ， 例 如 ： 正 確 響應(yīng) ACK = 0x55； 錯(cuò) 誤 響 應(yīng) A C K =0 x A A ) 。 由 于 串 口 通信存在很多不可靠因素，例如由

表1  通信命令
電磁干擾造成幀字節(jié)丟失、 傳輸誤碼， 以及因主從單片機(jī)處理繁忙而造成響應(yīng)延遲等。傳統(tǒng)的通信協(xié)議難以克服由單片機(jī)處理
繁忙造成的響應(yīng)延遲現(xiàn)象。如圖2所示，當(dāng)主芯片發(fā)送[命令1]后，當(dāng)超過(guò)響應(yīng)等待時(shí)間而沒(méi)有得到ACK時(shí)，主芯片發(fā)送[命令2]，在下一個(gè)響應(yīng)等待時(shí)間內(nèi)將收到兩次[ACK]，這種

圖4  響應(yīng)處理程序  

圖5  整體軟件設(shè)計(jì)
現(xiàn)象將導(dǎo)致主芯片做出錯(cuò)誤判斷，調(diào)用錯(cuò)誤的程序分支，嚴(yán) 重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，本文在通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中， 采用響應(yīng)消息加權(quán)的方法，提高了通信的可靠性，保證系統(tǒng) 正常運(yùn)行。
本 文 設(shè) 計(jì) 的 響 應(yīng) 消 息 加 權(quán) 式 通 信 協(xié) 議 ， 實(shí) 現(xiàn) 方 式 如 下：通信協(xié)議采用如圖3所示的格式，命令消息和響應(yīng)消息 采用相同的幀格式，包括幀頭(命令碼)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、校驗(yàn)場(chǎng)； 其中響應(yīng)消息幀頭 = 命令消息幀頭的加權(quán)(RPS = CMD | 0x80 或RPS = CMD | 0xC0)，主控芯片通過(guò)對(duì)響應(yīng)消息的處理， 識(shí)別出響應(yīng)的類型。通信協(xié)議各數(shù)據(jù)場(chǎng)的定義如表1所示， 本協(xié)議由nByte(n是用戶自定義的任意正整數(shù))構(gòu)成，D1[7：6]為通信類型，D1[5：0]為指令碼，D2～Dn-1為數(shù)據(jù)場(chǎng)，Dn為校驗(yàn)場(chǎng)。
程序處理過(guò)程如圖4所示，當(dāng)接收到響應(yīng)時(shí)，響應(yīng)處理 程序?qū)憫?yīng)消息幀頭進(jìn)行0xC0位與運(yùn)算，還原并判斷響應(yīng) 類型；同時(shí)對(duì)幀頭進(jìn)行0x3F位與運(yùn)算，還原出當(dāng)前響應(yīng)對(duì)應(yīng) 的命令消息，然后調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序執(zhí)行。例如，主芯

圖6  硬件原理框圖
片發(fā)送命令消息，命令消息幀頭D1=0x02，從芯片正常接收 并進(jìn)行加權(quán)響應(yīng)，響應(yīng)消息幀頭D1=0x82，主芯片再經(jīng)過(guò)位 與運(yùn)算判斷響應(yīng)類型并還原出與之相對(duì)應(yīng)的命令消息幀頭
0x02。然后調(diào)用相應(yīng)的程序執(zhí)行，完成一次通信周期。

3 程序設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)通信程序時(shí)充分考慮了主從單片機(jī)在通信過(guò)程 中的不確定因素，因此通信協(xié)議采用加權(quán)響應(yīng)式通信協(xié)議， 克服主從單片機(jī)處理繁忙而造成的響應(yīng)延遲；對(duì)于通信過(guò)程 中因干擾而導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)丟失、傳輸誤碼等現(xiàn)象，可以在程 序設(shè)計(jì)時(shí)采用超時(shí)定時(shí)、計(jì)數(shù)重發(fā)等方法，保證通信的準(zhǔn)確 性。軟件程序設(shè)計(jì)中，主控芯片采用芯片內(nèi)部的串口2，通信波特率為9600 bit /s，8 位數(shù)據(jù)，1位停止位。軟件編寫嚴(yán)格按照異步通信的時(shí)序進(jìn)行，其響應(yīng)處理程序流程如圖4。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用
本協(xié)議的設(shè)計(jì)初衷是用于一款內(nèi)嵌DTMB接收功能的便 攜式DVD產(chǎn)品的操作控制芯片與DTV解碼芯片間的通信服 務(wù)。該產(chǎn)品為商業(yè)性產(chǎn)品，質(zhì)量是產(chǎn)品的生命。為保證產(chǎn)品 質(zhì)量，提高通信的可靠性，在設(shè)計(jì)異步串行通信時(shí)采用本文 的響應(yīng)加權(quán)式通信協(xié)議。系統(tǒng)通信控制實(shí)現(xiàn)如圖5。
硬件系統(tǒng)由主控芯片和DTV解碼芯片構(gòu)成，原理框圖如圖6所示。主控芯片內(nèi)部串口2的收發(fā)引腳與DTV解碼芯片 的收發(fā)引腳相連接。主控芯片在整個(gè)通信過(guò)程中起主導(dǎo)作用，用于發(fā)起通信與判斷DTV解碼芯片的響應(yīng)。DTV解碼芯片接收主控芯片發(fā)送的命令，解析后進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。

5 結(jié)束語(yǔ)
本協(xié)議的設(shè)計(jì)初衷是為了克服主從單片機(jī)處理繁忙而 造成的響應(yīng)延遲現(xiàn)象，同時(shí)又具有可擴(kuò)展性，其中數(shù)據(jù)場(chǎng)的 字節(jié)長(zhǎng)度可以由用戶自行定義。將本協(xié)議應(yīng)用到DVD產(chǎn)品的通信控制時(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在波特率9600bit/s下可以成功通信；并且本協(xié)議能保證主控 端正確識(shí)別響應(yīng)類型以及還原出當(dāng)前響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的命令消 息，保證主控芯片做出正確的處理，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的正 確運(yùn)行。