異步串行通信協(xié)議的設計與實(shí)現

引言
     在單片機控制系統中，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，即數據的各位同時(shí)傳 送；串行通信，即數據按位次序傳送。串行通信能夠節省傳 輸線(xiàn)，特別是數據位數很多和傳輸距離較遠時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)更 為突出?，F在流行的高級語(yǔ)言一般都支持對串口直接操作， 常用的單片機也把串行通訊口作為一個(gè)標準接口集成在單片 機內，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之間的通信、工業(yè)控 制系統中的數據采集與控制、遠程數據的傳送等領(lǐng)域。

1 串口通信的基本原理
在嵌入式系統中，串口是一種重要的數據通信接口， 其本質(zhì)功能是，在CPU和串行設備間進(jìn)行編碼轉換。當CPU 通過(guò)串行端口發(fā)送數據時(shí)，字節數據轉換為串行的位串；接 收數據時(shí)，串行的位串被轉換為字節數據。應用程序使用串 口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統提出資源申請要求 (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A(yíng)SCII碼字符的傳輸。通信使用3根線(xiàn)完成：(1)地線(xiàn)；(2)發(fā)送數據線(xiàn)；(3)接收數據線(xiàn)。串口通

圖1  通信命令格式  

圖2  通信時(shí)序
信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個(gè)互相通信的端口，這些參數必須一致：波特率衡量通 信速度，表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數；數據位衡量通信中 實(shí)際數據位寬，標準值是5、7和8位。如何設置取決于具體 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的結束，還能提供計算機校 正時(shí)鐘同步的機會(huì )；奇偶校驗位是串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢 錯方式，有四種檢錯方式——偶、奇、高和低，也可以沒(méi)有 校驗位。

2 異步串行通信協(xié)議的設計
通信協(xié)議是通信雙方共同遵守的約定，對同步方式、 傳送速度、傳送步驟及檢糾錯方式定義等問(wèn)題做出統一規 定。
在 控 制 系 統 中 ， 單 片 機 間 通 信 一 般 采 用 異 步 串 行 通 信，傳統的異步串行通信協(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 據 場(chǎng) 、 校 驗 場(chǎng) ；響應消息為ACK信號 ( A C K 取 不 同 的 值 ， 例 如 ： 正 確 響應 ACK = 0x55； 錯 誤 響 應 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丟失、 傳輸誤碼， 以及因主從單片機處理繁忙而造成響應延遲等。傳統的通信協(xié)議難以克服由單片機處理
繁忙造成的響應延遲現象。如圖2所示，當主芯片發(fā)送[命令1]后，當超過(guò)響應等待時(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)響應等待時(shí)間內將收到兩次[ACK]，這種

圖4  響應處理程序  

圖5  整體軟件設計
現象將導致主芯片做出錯誤判斷，調用錯誤的程序分支，嚴 重影響系統的正常運行。因此，本文在通信協(xié)議的設計中， 采用響應消息加權的方法，提高了通信的可靠性，保證系統 正常運行。
本 文 設 計 的 響 應 消 息 加 權 式 通 信 協(xié) 議 ， 實(shí) 現 方 式 如 下：通信協(xié)議采用如圖3所示的格式，命令消息和響應消息 采用相同的幀格式，包括幀頭(命令碼)、數據場(chǎng)、校驗場(chǎng)； 其中響應消息幀頭 = 命令消息幀頭的加權(RPS = CMD | 0x80 或RPS = CMD | 0xC0)，主控芯片通過(guò)對響應消息的處理， 識別出響應的類(lèi)型。通信協(xié)議各數據場(chǎng)的定義如表1所示， 本協(xié)議由nByte(n是用戶(hù)自定義的任意正整數)構成，D1[7：6]為通信類(lèi)型，D1[5：0]為指令碼，D2～Dn-1為數據場(chǎng)，Dn為校驗場(chǎng)。
程序處理過(guò)程如圖4所示，當接收到響應時(shí)，響應處理 程序對響應消息幀頭進(jìn)行0xC0位與運算，還原并判斷響應 類(lèi)型；同時(shí)對幀頭進(jìn)行0x3F位與運算，還原出當前響應對應 的命令消息，然后調用相應的應用程序執行。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)行加權響應，響應消息幀頭D1=0x82，主芯片再經(jīng)過(guò)位 與運算判斷響應類(lèi)型并還原出與之相對應的命令消息幀頭
0x02。然后調用相應的程序執行，完成一次通信周期。

3 程序設計
在設計通信程序時(shí)充分考慮了主從單片機在通信過(guò)程 中的不確定因素，因此通信協(xié)議采用加權響應式通信協(xié)議， 克服主從單片機處理繁忙而造成的響應延遲；對于通信過(guò)程 中因干擾而導致通信數據丟失、傳輸誤碼等現象，可以在程 序設計時(shí)采用超時(shí)定時(shí)、計數重發(fā)等方法，保證通信的準確 性。軟件程序設計中，主控芯片采用芯片內部的串口2，通信波特率為9600 bit /s，8 位數據，1位停止位。軟件編寫(xiě)嚴格按照異步通信的時(shí)序進(jìn)行，其響應處理程序流程如圖4。

4 系統的實(shí)現及應用
本協(xié)議的設計初衷是用于一款內嵌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，在設計異步串行通信時(shí)采用本文 的響應加權式通信協(xié)議。系統通信控制實(shí)現如圖5。
硬件系統由主控芯片和DTV解碼芯片構成，原理框圖如圖6所示。主控芯片內部串口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)程中起主導作用，用于發(fā)起通信與判斷DTV解碼芯片的響應。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 結束語(yǔ)
本協(xié)議的設計初衷是為了克服主從單片機處理繁忙而 造成的響應延遲現象，同時(shí)又具有可擴展性，其中數據場(chǎng)的 字節長(cháng)度可以由用戶(hù)自行定義。將本協(xié)議應用到DVD產(chǎn)品的通信控制時(shí)，經(jīng)過(guò)測試，在波特率9600bit/s下可以成功通信；并且本協(xié)議能保證主控 端正確識別響應類(lèi)型以及還原出當前響應相對應的命令消 息，保證主控芯片做出正確的處理，從而保證整個(gè)系統的正 確運行。