嵌入式環(huán)境下分層的串行幀通信的設計與實(shí)現

嵌入式系統之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。并行方式傳輸數據速度快，但占用的通信線(xiàn)多，傳輸數據的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數據傳送。在遠距離數據通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線(xiàn)少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)對點(diǎn)通信模式，實(shí)際使用中多采用最簡(jiǎn)單的三線(xiàn)方式連接，即兩端設備的串口只連接收、發(fā)、地三根線(xiàn)，即可實(shí)現簡(jiǎn)單的全雙工通信。通信協(xié)議是兩端設備數據交換的語(yǔ)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(jiǎn)潔。

1 系統通信需求

本系統主要完成野外環(huán)境下時(shí)間間隔測量和瞬態(tài)數據采集的功能，系統內各模塊均選用三星公司的S3C2440芯片為處理器，操作系統使用嵌入式Linux。模塊間通信的主要任務(wù)為控制命令的下發(fā)與應答、工作狀態(tài)和采集數據的上報等，對通信的可靠性要求較高，無(wú)數據加密需求。

根據系統軟硬件情況設定串口工作參數如下：115 200波特率，8位數據位，1位停止位，奇校驗、無(wú)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(xiàn)長(cháng)度、傳輸數據的最大幀長(cháng)和應用過(guò)程中的誤碼率等；無(wú)流控則是由于串口使用三線(xiàn)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(shí)現的復雜度，將通信協(xié)議為分上下兩層：上層為應用層，規范了設備間應用程序通信使用的應用層數據格式；下層為鏈路層，提供物理線(xiàn)路數據的發(fā)送與接收，應用層數據拆分與合并、封裝與解封裝以及錯誤檢測功能。協(xié)議應用層部分根據各設備功能的不同使用不同的數據格式，而鏈路層部分則完全通用。應用層通信過(guò)程如圖1所示。

圖1 應用層通信過(guò)程

發(fā)方設備按照約定的應用層數據格式構造應用層數據，交由鏈路層進(jìn)行數據的拆分、封裝、校驗，再將生成的數據以數據幀的形式發(fā)送至物理線(xiàn)路；收方設備則從物理線(xiàn)路上接收數據，進(jìn)行幀定位、解封裝、錯誤檢測、數據合并等，最后將應用層數據上交給應用層處理。收發(fā)方設備的應用層可根據用戶(hù)需求的變化，不斷修改應用層數據格式，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(guān)鍵在于鏈路層，以下著(zhù)重闡述鏈路層的設計與實(shí)現。

3 鏈路層設計

鏈路層主要包含以下功能：數據拆分與合并、數據封裝與解封裝、數據幀的發(fā)送和接收以及錯誤檢測與重發(fā)機制。

3．1 數據拆分與合并

數據拆分即是把過(guò)長(cháng)的應用層數據分成幾部分，用多幀數據幀發(fā)送，接收端收到后再進(jìn)行數據合并，上交給應用層處理。過(guò)長(cháng)的應用層數據如果不進(jìn)行拆分，可能導致數據幀超出設計的緩沖區大小，也可能造成發(fā)送時(shí)間太長(cháng)導致超時(shí)錯誤。這個(gè)長(cháng)度需要根據實(shí)際需求合理設置，當數據幀傳輸出現錯誤時(shí)，這幀數據就需要重新傳輸，長(cháng)度太大將造成較大開(kāi)銷(xiāo)；長(cháng)度太小，封裝時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)字節所占比例又太高，影響傳輸效率。

3．2 數據封裝與解封裝

數據封裝即是以一定格式把拆分后的應用層數據加上功能指示、數據長(cháng)度等字段，以便對方收到后知道如何處理。數據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)行數據收發(fā)，一種普遍的界定幀起始與結束的方法是：在待發(fā)送數據的頭部和尾部加入特殊的起始碼和結束碼，如果在數據中出現了這個(gè)碼型，就必須在數據發(fā)送前進(jìn)行轉義處理，把它轉換成其他碼型，否則將導致幀定位錯誤，數據通信失敗。很多協(xié)議實(shí)現者為求實(shí)現簡(jiǎn)單沒(méi)有進(jìn)行這種轉義，存在通信失敗的風(fēng)險，其實(shí)在點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(PPP協(xié)議)中的描述了一種轉義處理方法，經(jīng)簡(jiǎn)化后，實(shí)現起來(lái)也并不復雜，描述如下：

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

數據接收方在串口數據流中搜索第一個(gè)0x7E作為幀起始(連續的0x7E則以最后一個(gè)為幀起始)，逐字節接收數據，遇到0x7D時(shí)，跳過(guò)不處理，而把該字節的后一個(gè)字節加上0x20，直到遇到0x7E認為幀結束。

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

3．4 錯誤檢測與重發(fā)機制

綜合考慮協(xié)議實(shí)現的簡(jiǎn)單性和數據收發(fā)的可靠性，決定采用停等協(xié)議進(jìn)行數據收發(fā)，過(guò)程如下：

發(fā)送方發(fā)送一幀數據幀后，設置一個(gè)最長(cháng)等待時(shí)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(shí)時(shí)間內未收到確認幀或拒絕幀，則重發(fā)當前幀，因等待超時(shí)而重發(fā)的幀要設置超時(shí)指示位。當連續收到拒絕幀三次或連續超時(shí)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。

接收方收到數據幀后，當超時(shí)指示位為0時(shí)，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(shí)指示位為1時(shí)，說(shuō)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(shí)際上已經(jīng)處理過(guò)，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，則根據校驗結果正常處理該幀。

4 鏈路層實(shí)現

鏈路層采用C++語(yǔ)言實(shí)現，以便于代碼在各模塊程序中復用。應用層數據發(fā)送和接收流程如圖2，圖3所示。

5 結語(yǔ)

鏈路層的作用是可靠地把應用層數據發(fā)送到對端設備，但如果僅僅是這樣，應用程序使用起來(lái)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(gè)類(lèi)中，向應用程序提供一些較為簡(jiǎn)單的功能接口，如發(fā)送數據，接收數據，檢測對端是否可達等，就可以很好地解決易用性問(wèn)題。另外當數據發(fā)送失敗時(shí)，應當以返回值或事件方式通知應用程序，當有應用層數據需要處理時(shí)，最好以回調函數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(guò)在協(xié)議設計和協(xié)議實(shí)現兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，該協(xié)議在實(shí)際應用過(guò)程中表現出極好的可靠性和一定的通用性，可供參考借鑒。