摘 要： 為了提高串口數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確率、方便上層應(yīng)用編程，設(shè)計(jì)了一個(gè)協(xié)議對(duì)串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行封裝。協(xié)議采用自定義報(bào)文格式封裝串口數(shù)據(jù)幀的方式工作，利用報(bào)文應(yīng)答機(jī)制保證傳輸正確性，該協(xié)議在線路故障出現(xiàn)時(shí)能有效檢測(cè)并采取報(bào)文重發(fā)等措施保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸。
關(guān)鍵詞： 串口；通信協(xié)議；數(shù)據(jù)報(bào)；數(shù)據(jù)傳輸
0 引言
串口通信協(xié)議是計(jì)算機(jī)上非常通用的一種設(shè)備通信協(xié)議，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)[1]。利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，串口能做到奇偶校驗(yàn)以確定數(shù)據(jù)是否傳輸正確，然而在實(shí)際的上位機(jī)和下位機(jī)的通信中，往往傳輸以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)，這樣僅奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)位并不能達(dá)到正確傳輸數(shù)據(jù)的目的[2]，因此需要建立在串口之上的數(shù)據(jù)交換規(guī)則，即封裝串口通信的協(xié)議[3]。本文設(shè)計(jì)的就是一種用數(shù)據(jù)報(bào)封裝了串口數(shù)據(jù)通信的協(xié)議，它能有效檢測(cè)線路狀態(tài)并處理丟包等問(wèn)題。它不僅能實(shí)現(xiàn)PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，還可用于嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。
1 協(xié)議分層結(jié)構(gòu)
為了使協(xié)議程序的設(shè)計(jì)更為合理，并且利于在各硬件系統(tǒng)使用，將此協(xié)議進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。由于串口通信的性質(zhì)，無(wú)需過(guò)多采用面向連接來(lái)建立虛電路，因此本協(xié)議采用無(wú)連接服務(wù)[4]。協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 協(xié)議的設(shè)計(jì)
本文提出的協(xié)議的設(shè)計(jì)思想是數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸方式，即將上層應(yīng)用提供的流式數(shù)據(jù)分割并格式化為一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)報(bào)，再發(fā)送給串口進(jìn)行串行傳輸。接收方從串口接收到的數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)過(guò)重新拼接形成數(shù)據(jù)流再送給上層應(yīng)用。為保證串行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸中采取發(fā)送—應(yīng)答—重傳—失敗的方式工作。協(xié)議工作前需要設(shè)置超時(shí)等待時(shí)間、數(shù)據(jù)分割長(zhǎng)度、串口參數(shù)等參數(shù)[5-6]。
2.1 數(shù)據(jù)報(bào)格式
數(shù)據(jù)報(bào)分為報(bào)文頭部和數(shù)據(jù)部?jī)刹糠郑涓袷饺鐖D2所示。報(bào)文頭部由6字節(jié)組成，第1、2字節(jié)AB表示報(bào)文長(zhǎng)度，即報(bào)文頭部長(zhǎng)度加上數(shù)據(jù)部長(zhǎng)度；第3、4字節(jié)CD表示整個(gè)報(bào)文的校驗(yàn)和；第5、6字節(jié)XX表示應(yīng)答ACK；第7、8字節(jié)GH表示報(bào)文序號(hào)。
數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度AB范圍為0~65 535，所以一個(gè)報(bào)文最大為8 KB。數(shù)據(jù)部長(zhǎng)度等于報(bào)文長(zhǎng)度（AB）減去報(bào)文頭長(zhǎng)度（8 B）。
2.2 數(shù)據(jù)處理與報(bào)文處理
數(shù)據(jù)處理包括分割上層應(yīng)用提供的數(shù)據(jù)，以及從報(bào)文還原拼接數(shù)據(jù)；報(bào)文處理包括格式化報(bào)文以提供給串口發(fā)送以及從串口讀取報(bào)文、校驗(yàn)報(bào)文、提取數(shù)據(jù)[7]。
2.2.1 數(shù)據(jù)分割
協(xié)議從應(yīng)用程序接口獲取應(yīng)用程序提供的數(shù)據(jù)并以流式數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；然后以事先設(shè)定的數(shù)據(jù)分割長(zhǎng)度取數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度不足的部分則全部取出，取數(shù)據(jù)指針移動(dòng)相應(yīng)距離。
2.2.2 報(bào)文組裝
報(bào)文的組裝過(guò)程如下[8]：
（1）計(jì)算取出數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，填入報(bào)文第1、2字節(jié)；
?。?）報(bào)文第3~6字節(jié)全部置0；
?。?）計(jì)算報(bào)文序號(hào)GH；
（4）計(jì)算校驗(yàn)和，從第1字節(jié)開(kāi)始，每?jī)蓚€(gè)字節(jié)為一個(gè)單元進(jìn)行分割，末尾不足兩字節(jié)則在其后補(bǔ)0，再將這些單元進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，結(jié)果存在檢驗(yàn)和字段中第3、4字節(jié)；
?。?）將取出的數(shù)據(jù)接在報(bào)文頭部后面，將整個(gè)報(bào)文寫(xiě)入報(bào)文緩沖區(qū)。
2.2.3 報(bào)文拆分
報(bào)文拆分的具體步驟如下[9]：
?。?）從報(bào)文緩沖區(qū)按報(bào)文長(zhǎng)度獲取報(bào)文數(shù)據(jù)；
?。?）計(jì)算校驗(yàn)和，方法同報(bào)文組裝里的計(jì)算方法：如果校驗(yàn)和不為0xFFFF，則傳輸過(guò)程中發(fā)生差錯(cuò)，丟棄此報(bào)文；如果校驗(yàn)和為0xFFFF，取出報(bào)文長(zhǎng)度及報(bào)文序號(hào)，計(jì)算數(shù)據(jù)部長(zhǎng)度，取出數(shù)據(jù)[9]。
2.2.4 數(shù)據(jù)拼接
將從報(bào)文取出的數(shù)據(jù)填入接收方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，寫(xiě)數(shù)據(jù)指針移動(dòng)相應(yīng)距離；接收完最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，協(xié)議將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提供給上層應(yīng)用程序，寫(xiě)數(shù)據(jù)指針恢復(fù)初始值。
2.3 數(shù)據(jù)報(bào)傳輸過(guò)程
數(shù)據(jù)報(bào)傳輸情況分為考慮定時(shí)器超時(shí)和不考慮定時(shí)器超時(shí)兩種，定時(shí)器超時(shí)處理應(yīng)屬于中斷調(diào)用。
2.3.1 傳輸過(guò)程
數(shù)據(jù)報(bào)傳輸過(guò)程如下[10]：
?。?）在進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)傳輸前，發(fā)送方將數(shù)據(jù)分割并裝進(jìn)報(bào)文，ACK置為0x0000，計(jì)算報(bào)文序號(hào)，再將報(bào)文送入報(bào)文緩沖區(qū)。
（2）開(kāi)始發(fā)送時(shí)，串口按已經(jīng)設(shè)定的工作方式和波特率工作，從報(bào)文緩沖區(qū)獲取報(bào)文數(shù)據(jù)并發(fā)送。
（3）發(fā)送方發(fā)送完畢一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)后，停止發(fā)送，啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，準(zhǔn)備接收響應(yīng)。
（4）接收方串口接收數(shù)據(jù)并填入報(bào)文緩沖區(qū)。
?。?）接收方從報(bào)文緩沖區(qū)獲取報(bào)文數(shù)據(jù)，進(jìn)行校驗(yàn)：
?、偃艚邮辗叫ｒ?yàn)結(jié)果為正確，則取出數(shù)據(jù)；若接收的ACK=0x0011并且收到的序號(hào)等于前面一個(gè)報(bào)文的序號(hào)，則將數(shù)據(jù)覆蓋到前一塊數(shù)據(jù)，否則將數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；記錄報(bào)文序號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x1111的報(bào)文。
②若接收方校驗(yàn)結(jié)果為錯(cuò)誤，則丟棄數(shù)據(jù)報(bào)，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x1110的報(bào)文，通知發(fā)送方重發(fā)。
?。?）接收方每次處理完數(shù)據(jù)報(bào)均初始化并啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，剛收到數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。
?。?）發(fā)送方收到響應(yīng)報(bào)文，校驗(yàn)通過(guò)則關(guān)閉定時(shí)器，獲取ACK，若ACK=0x1111，則發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)；若ACK=0x1110，則重發(fā)當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)（ACK置0x0011）。如果校驗(yàn)不通過(guò)就丟棄此數(shù)據(jù)報(bào)，仍保持定時(shí)器計(jì)時(shí)。
?。?）雙方重復(fù)以上步驟直到最后一個(gè)報(bào)文發(fā)送完畢。
?。?）發(fā)送方發(fā)送最后一個(gè)報(bào)文完成后，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x0001的報(bào)文提示數(shù)據(jù)傳輸完畢，若此報(bào)文發(fā)送后收到重傳響應(yīng)，則重發(fā)此數(shù)據(jù)報(bào)（ACK仍置0x0001）[10]。
2.3.2 定時(shí)器超時(shí)處理
若發(fā)送方定時(shí)器達(dá)到發(fā)送方超時(shí)等待時(shí)間仍未收到響應(yīng)報(bào)文，則重傳當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)（ACK置0x0011），連續(xù)超時(shí)三次還沒(méi)收到應(yīng)答則停止發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，清空?qǐng)?bào)文緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并向應(yīng)用程序返回通信失敗[11]。若接收方定時(shí)器達(dá)到接收方超時(shí)等待時(shí)間仍未收到報(bào)文，清空?qǐng)?bào)文緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，關(guān)閉定時(shí)器，并向上層應(yīng)用程序返回通信失敗。
3 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的協(xié)議封裝串口通信是為了更方便和安全地傳送數(shù)據(jù)，從上文可以看到，在發(fā)送大數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，串口的速度其實(shí)不高，而本協(xié)議若需控制在毫秒級(jí)的處理，所發(fā)數(shù)據(jù)不能超過(guò)1 192 B。報(bào)文長(zhǎng)度字節(jié)AB范圍為0~65 535，故每個(gè)報(bào)文大小為8 B~8 KB，數(shù)據(jù)部大小為0~8 184 B，所以數(shù)據(jù)分割范圍為0~8 184 B[12]。故本協(xié)議更適用于小數(shù)據(jù)量傳送，比如在信號(hào)采集后的數(shù)據(jù)傳送等，傳輸一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)需要14 ms左右。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳荔，張菁.基于串口自定義協(xié)議傳輸文件的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（2）：45-48.
[2] 董翰川，郭勇，李文杰.LabVIEW串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（23）：63-64.
[3] 王承君.自定義串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議的分析與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2004（24）：192-194.
[4] 王嬌，姚竹亭.基于VC++6.0的串口通信的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2009（11）：47-50.
[5] 李長(zhǎng)林，高潔.Visual C++串口通信技術(shù)與典型實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.
[6] 李志強(qiáng)，汪晴，徐曉鐵，等.一種基于跨層設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單可靠UDP協(xié)議[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，10（3）：209-214.
[7] 蘆東昕，張華強(qiáng)，王陳.基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29（22）：62-63.
[8] 趙玉劍，范修榮.單片機(jī)與PC串行通信的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2008，2（5）：96-97.
[9] 范月霞，吳正江.一種新型串口通信類(lèi)的實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程，2008，28（4）：157-159.
[10] 靳海力，李俊.具有補(bǔ)發(fā)機(jī)制的增強(qiáng)型可靠UDP的實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2010（5）：904-907.
[11] 林培杰，黃比得，黃春暉.基于TMS320C6713的McBSP和EDMA實(shí)現(xiàn)串口通信[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（2）：33-35.
[12] 朱耀麟，馬慧銘.USB3.0超高速多串口傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（9）：138-140.