基于51單片機串口通信中的檢錯方法設計

0 引言
對于基于flash控制器的8051的芯片結構，一般在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，都是先通過(guò)串口將數據傳送到flash控制器的buffer中。由于buffer的大小為512 bytes，所以每次傳輸的最大數據量為512bytes。本文中所討論的三種檢錯方法的傳輸數據量均為512 bytes。

1 檢錯方式
基于8051的串口數據通信系統的硬件開(kāi)發(fā)平臺框圖如圖1所示。利用該平臺進(jìn)行數據傳輸時(shí)，通常有三種數據檢錯方式。

1．1 奇偶校驗
奇偶校驗是檢錯中比較常見(jiàn)的一種方法。它利用數據中的1的個(gè)數作為檢錯的標志位，若1的個(gè)數為奇數個(gè)，則錯誤檢測的標志位為1，若1的個(gè)數為偶數，則錯誤檢測的標志位為0。在發(fā)送端和接收端同時(shí)檢測奇偶位，若得到相同的結果，則說(shuō)明數據傳輸過(guò)程無(wú)錯誤發(fā)生；若得到不同的結果，則說(shuō)明數據傳輸過(guò)程中有錯誤發(fā)生，此時(shí)8051會(huì )發(fā)送一個(gè)錯誤重傳的信號，讓PC端再次發(fā)送數據。
1．2 循環(huán)冗余校驗(CRC)
CRC是利用除法和余數的原理來(lái)進(jìn)行錯誤檢測(Error Detecting)。如果原始數據為多項式JP(x)，則將P(x)對生成的多項式G(x)進(jìn)行模2除法，再將得到的余式R(x)作為生成的CRC校驗碼，用公式可以表示為：
P(x)=Q(x)·G(x)+R(x)
上式中的Q(x)為除法得到的商。發(fā)送端將原始數據P(x)和生成的CRC校驗碼R(x)發(fā)送到接收端。接收端則根據接收到的數據P'(x)算出另外的一個(gè)CRC校驗碼R'(x)，然后對兩個(gè)CRC校驗碼進(jìn)行比較，即可得出在傳輸過(guò)程中是否有錯誤發(fā)生。若發(fā)生錯誤，則用發(fā)送端重傳。本文中所采用的CRC8所生成的多項式G(x)為：x2+x5+x4+1。

1．3 漢明碼(Hamming)
漢明碼是在一組代碼中加入一定數量的冗余，以形成一組新的數據。新加入的冗余數據被稱(chēng)為校驗位。若某個(gè)信息位出錯，則將引起幾組奇偶校驗結果均出錯，由此根據奇偶組的檢錯，便可確定誤碼的信息位及性質(zhì)。漢明碼具有如下特點(diǎn)：
碼長(cháng)：N＝2m－1
信息碼位：k=2m-m-1
監督碼位：r=N-k=m，其中m≥2正整數
由于本文中的檢錯對象是串口發(fā)送，一次發(fā)送8 bits數據，故需要的冗余位為4 bits，本文采用的漢明碼為(12，8)，其編碼由8 bits數據和4bits組成。設數據分別為a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7。檢驗位為a8，a9，a10，a11,它們可按下面的式子決定：

2 測試環(huán)境及原理
本文的測試平臺分為兩部分，即PC串口發(fā)送部分和8051串口接收部分。PC通過(guò)串口發(fā)送數據，每次串口發(fā)送的單位為8 bits。8051通過(guò)串口接收PC發(fā)送的數據。由于硬件的限制，8051中存儲數據的buffer最大為512 bytes。所以PC端的數據每次也只發(fā)送512 bytes，總共測試的數據大小為8 K bytes，傳輸完8 K bytes的數據需要16次。串口傳輸的波特率為57600。8051接收來(lái)自PC的數據，每次接收512 bytes數據，并進(jìn)行錯誤檢測。若檢測到錯誤，則給PC發(fā)送一個(gè)重傳請求，若沒(méi)有檢測到錯誤，則給PC發(fā)送一個(gè)繼續傳輸的命令。
為了提高傳輸效率，在不影響檢錯的情況下，可分別對奇偶校驗、CRC校驗、漢明碼校驗采用不同的數據傳輸結構。
奇偶校驗每發(fā)送8 bits數據就算出1 bit的奇偶位，在算出8 bits的奇偶位之后，再將校驗位一起發(fā)送到8051，其中數據D為512 bytes，Group為64bytes，data為8 bits數據。其數據結構如圖2所示。

CRC校驗時(shí)，每512 bytes數據產(chǎn)生1bytes校驗位并發(fā)送到8051，其數據結構如圖3所示。其中D為512 bytes，data為512 bytes，CRC byte為8bit。即每512個(gè)bytes得到一個(gè)CRC校驗值。漢明碼由于采用了(12，4)，每8 bits數據產(chǎn)生4 bits的校驗位。故其數據結構如圖4所示，圖中，D為512 bytes的數據，data為8 bits的數據。

3 測試結果分析
本文通過(guò)相同的環(huán)境，綜合比較了三種錯誤檢測的實(shí)際效率，其實(shí)驗結果如表1所列。

表1是根據發(fā)送數據的長(cháng)短和波特率計算出來(lái)的理論值，實(shí)際測試值則是調用PC端的時(shí)間函數來(lái)測試的。為了提高漢明碼的解碼效率，本文在8051上通過(guò)匯編語(yǔ)言進(jìn)行解碼。通過(guò)對得出的表中數據進(jìn)行分析可見(jiàn)，CRC校驗具有最好的檢錯效率，且差錯率低，耗時(shí)適中。

4 結束語(yǔ)
本文通過(guò)對串口傳輸中三種檢錯方法的大量數據進(jìn)行比較，分析了它們的檢錯結果和效率。在奇偶校驗中，為了提高檢錯速度，8051端可采用匯編語(yǔ)言直接讀取標志位寄存器中的奇偶標識。而在漢明碼中，則可分別采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程。三種檢錯方法中，耗時(shí)最低的是奇偶校驗，其檢錯的速度最快，CRC8次之，檢錯最慢的是漢明碼。誤差率最低的為CRC8，其次為漢明碼，奇偶校驗發(fā)生錯誤的概率比較大。
由于是串口通信，出錯的概率比較小，因此，傳輸較大文件時(shí)，檢錯一般采用奇偶校驗，只有對誤差率要求較高的場(chǎng)合，才用到CRC。漢明碼一般很少用于檢錯場(chǎng)合。