嵌入式環(huán)境下串行幀通信的設計

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。目前RS 232串口是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口，它應用于點對點通信模式，實際使用中多采用最簡單的三線方式連接，即兩端設備的串口只連接收、發(fā)、地三根線，即可實現(xiàn)簡單的全雙工通信。通信協(xié)議是兩端設備數(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)議應該力求簡潔。

在嵌入式環(huán)境下，因設備間通信距離較遠，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)議設計時的應用系統(tǒng)環(huán)境，不具有通用性，且有些協(xié)議存在通信失敗的風險。通過分析設備間的通信需求，設計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)議在實際應用系統(tǒng)中運行穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)通信需求

本系統(tǒng)主要完成野外環(huán)境下時間間隔測量和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集的功能，系統(tǒng)內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為控制命令的下發(fā)與應答、工作狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)的上報等，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、無流控。波特率的設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)議的分層結構

為保證不同設備之間通信協(xié)議的通用性，降低實現(xiàn)的復雜度，將通信協(xié)議為分上下兩層：上層為應用層，規(guī)范了設備間應用程序通信使用的應用層數(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，應用層數(shù)據(jù)拆分與合并、封裝與解封裝以及錯誤檢測功能。協(xié)議應用層部分根據(jù)各設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。應用層通信過程如圖1所示。

發(fā)方設備按照約定的應用層數(shù)據(jù)格式構造應用層數(shù)據(jù)，交由鏈路層進行數(shù)據(jù)的拆分、封裝、校驗，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;收方設備則從物理線路上接收數(shù)據(jù)，進行幀定位、解封裝、錯誤檢測、數(shù)據(jù)合并等，最后將應用層數(shù)據(jù)上交給應用層處理。收發(fā)方設備的應用層可根據(jù)用戶需求的變化，不斷修改應用層數(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)議設計的關鍵在于鏈路層，以下著重闡述鏈路層的設計與實現(xiàn)。

3 鏈路層設計

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)送和接收以及錯誤檢測與重發(fā)機制。

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，接收端收到后再進行數(shù)據(jù)合并，上交給應用層處理。過長的應用層數(shù)據(jù)如果不進行拆分，可能導致數(shù)據(jù)幀超出設計的緩沖區(qū)大小，也可能造成發(fā)送時間太長導致超時錯誤。這個長度需要根據(jù)實際需求合理設置，當數(shù)據(jù)幀傳輸出現(xiàn)錯誤時，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行數(shù)據(jù)收發(fā)，一種普遍的界定幀起始與結束的方法是：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束碼，如果在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了這個碼型，就必須在數(shù)據(jù)發(fā)送前進行轉義處理，把它轉換成其他碼型，否則將導致幀定位錯誤，數(shù)據(jù)通信失敗。很多協(xié)議實現(xiàn)者為求實現(xiàn)簡單沒有進行這種轉義，存在通信失敗的風險，其實在點對點協(xié)議(PPP協(xié)議)中的描述了一種轉義處理方法，經(jīng)簡化后，實現(xiàn)起來也并不復雜，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，發(fā)送0x7D，0x5E字節(jié)序列，遇到0x7D時，發(fā)送0x7 D，0x5D字節(jié)序列，最后在幀尾處發(fā)送0x7E作為結束碼;

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

在鏈路幀發(fā)送前，應使用CRC16算法對封裝數(shù)據(jù)進行校驗，校驗多項式為，校驗值寫入校驗字段中;在鏈路幀接收后，先對其進行校驗，如果檢驗成功再進行數(shù)據(jù)解封裝處理，如果校驗失敗則按照下述重發(fā)機制進行重發(fā)。

3.4 錯誤檢測與重發(fā)機制

綜合考慮協(xié)議實現(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，設置一個最長等待時間，等待接收對方的確認幀或拒絕幀，若收到確認幀則發(fā)送下一幀;若收到拒絕幀或者在超時時間內未收到確認幀或拒絕幀，則重發(fā)當前幀，因等待超時而重發(fā)的幀要設置超時指示位。當連續(xù)收到拒絕幀三次或連續(xù)超時重發(fā)三次，則認為對端不可達，取消當前幀的發(fā)送，上報錯誤給應用層。

接收方收到數(shù)據(jù)幀后，當超時指示位為0時，如果校驗正確，則發(fā)送確認幀，并處理此幀，如果校驗錯誤，則發(fā)送拒絕幀，不處理該幀;當超時指示位為1時，說明對方未正確收到確認幀或拒絕幀，如果上次非重發(fā)幀的校驗結果是正確的，則該幀實際上已經(jīng)處理過，直接發(fā)送確認幀即可;如果上次非重發(fā)幀的校驗結果是錯誤的，則根據(jù)校驗結果正常處理該幀。

4 鏈路層實現(xiàn)

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

5 結語

鏈路層的作用是可靠地把應用層數(shù)據(jù)發(fā)送到對端設備，但如果僅僅是這樣，應用程序使用起來并不是很方便，如果使用面向對象編程的方法，把鏈路層代碼封裝在一個類中，向應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)，檢測對端是否可達等，就可以很好地解決易用性問題。另外當數(shù)據(jù)發(fā)送失敗時，應當以返回值或事件方式通知應用程序，當有應用層數(shù)據(jù)需要處理時，最好以回調函數(shù)或事件方式激活應用層處理程序，以避免應用程序低效的循環(huán)檢測。通過在協(xié)議設計和協(xié)議實現(xiàn)兩個方面同時進行優(yōu)化，該協(xié)議在實際應用過程中表現(xiàn)出極好的可靠性和一定的通用性，可供參考借鑒。