嵌入式系統(tǒng)中串口通信幀的同步方法

1 串口通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代工業(yè)控制，往往需要由多個(gè)獨(dú)立的控制模塊來共同完成。它們之間通過串口通信完成復(fù)雜的控制過程，必須在通信過程中加入必要的通信協(xié)議，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；而要完成特定的通信協(xié)議，就得有一定的同步機(jī)制。下面介紹一下簡化的串口通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，以便分析說明嵌入式系統(tǒng)串口通信過程中的幀同步方法。

假定串口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為：

其中：包頭用于同步，一般是一個(gè)或多個(gè)ASCII字符，本文中假定數(shù)據(jù)幀同步頭有2字節(jié)(0xAA、0x55)；包長表示數(shù)據(jù)包中除去包頭和包長的字節(jié)數(shù)，一般用約定好的幾個(gè)字節(jié)表示；類型為通信協(xié)議里規(guī)定的命令類型；數(shù)據(jù)為應(yīng)發(fā)送的主要信息；校驗(yàn)通常采用單字節(jié)“異或”的方法。

2 串口通信中的幀同步方法
2．1 逐次比較的幀同步方法
首先等待串口數(shù)據(jù)，將接收到的第1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)與約定好的包頭信息的第1個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較。如果不正確，則等待新字節(jié)，直到接收的數(shù)據(jù)與包頭信息的第1個(gè)字節(jié)相同。第1個(gè)字節(jié)比較正確以后，將收到的第2個(gè)字節(jié)與包頭信息的第2個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較。如果仍然正確，則說明串口接收已經(jīng)同步，可以開始接收數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)部分；否則，重新開始同步過程。其程序流程如圖1所示。

此種方法代碼量小，編程簡單，一般用于在主程序中以非中斷方式接收串口數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)性很差、數(shù)據(jù)幀較短的場(chǎng)合。但是，在串口速度過快且包頭字節(jié)數(shù)比較多的情況下，串口實(shí)現(xiàn)同步花費(fèi)的時(shí)間很長或很難實(shí)現(xiàn)同步。例如，串口接收到序列Ox0O OxAA0xAA 0x55…，當(dāng)遇到第一個(gè)“0xAA”時(shí)，該方法認(rèn)為第1個(gè)字節(jié)正確開始比較第2個(gè)同步頭。第2個(gè)字節(jié)仍是“0xAA”而不是“0x55”，所以必須等待新的字節(jié)重新開始比較第1個(gè)同步頭。而緊隨其后的是“0x55”，因而，此時(shí)包頭的第1個(gè)字節(jié)也沒有同步上。事實(shí)上，“0x00 OxAA”是干擾字節(jié)，“0xAA 0x55”才是通信協(xié)議中的同步頭。

2.2 基于FIFO隊(duì)列的幀同步方法
根據(jù)同步包頭的長度，定義一個(gè)相同長度的全局字節(jié)數(shù)組，把該數(shù)組看成是一個(gè)如圖2所示的先入先出(FIFO)的隊(duì)列。程序流程如圖3所示。

本例中定義兩個(gè)字節(jié)HEADl和HEAD2，都初始化為0xFF。同步時(shí)，丟棄數(shù)組頭字節(jié)HEADl，數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)向前移動(dòng)一個(gè)字節(jié)，串口接收到的新字節(jié)存入數(shù)組末字節(jié)HEAD2中，將整個(gè)數(shù)組與協(xié)議中的包頭信息比較。如果正確，則置位已同步標(biāo)志位，然后開始接收、存儲(chǔ)有用數(shù)據(jù)；否則，繼續(xù)等待同步。串口數(shù)據(jù)接收完后，不僅要清除已同步標(biāo)志，還要把HEADl和HEAD2兩個(gè)字節(jié)都賦值0xFF；否則，將會(huì)影響下一幀數(shù)據(jù)的同步和接收。用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…”進(jìn)行測(cè)試，隨著串口接收中斷收到新的字節(jié)。幀同步隊(duì)列中的數(shù)據(jù)依次為：[0xFF，0xFF]→[0x00，0xFF]→[0xAA，0x00]→[0xAA，0xAA]→[0x55，0xAA]。此時(shí)，該算法檢測(cè)出[HEAD2，HEAD2]==[0x55，0xAA]，從而實(shí)現(xiàn)了同步，置位已同步標(biāo)志位以便下
次進(jìn)入串口接收中斷服務(wù)子程序時(shí)開始接收數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分。

此種方法與逐次比較的幀同步方法相比，能夠比較快速、正確地檢測(cè)出同步包頭；但是如果包頭的字節(jié)數(shù)很多，同步過程中每次進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序都要進(jìn)行大量的字節(jié)搬移，將必然耗費(fèi)很長的時(shí)間。為了使嵌入式系統(tǒng)更健壯，程序設(shè)計(jì)應(yīng)把握的基本原則之一就是使中斷處理程序最短。所以基于FIFO隊(duì)列的幀同步方法也不是最優(yōu)的。

2.3 基于有限狀態(tài)機(jī)的幀同步方法
為解決以上問題，可以采用基于有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法。該方法將數(shù)據(jù)幀的接收過程分為若干個(gè)狀態(tài)：接收信息頭HEADl狀態(tài)、接收信息頭HEAD2狀態(tài)、接收包長狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)類型狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)狀態(tài)及接收校驗(yàn)和狀態(tài)。系統(tǒng)的初始狀態(tài)為HEADl狀態(tài)，各接收狀態(tài)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，仍用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…”進(jìn)行測(cè)試。隨著串口接收中斷新字節(jié)的接收，系統(tǒng)的接收狀態(tài)依次為HEAD1→HEAD1→HEAD2→HEAD2→LEN。可見此時(shí)就是同步狀態(tài)。該方法也快速、有效地實(shí)現(xiàn)了同步；但是需要注意的是，在每一次接收完1幀完整的數(shù)據(jù)之后，必須把系統(tǒng)的接收狀態(tài)重新設(shè)置為HEADl，否則將會(huì)影響下一幀的數(shù)據(jù)接收。

此后，程序按照協(xié)議開始依次接收數(shù)據(jù)幀長度、命令類型、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位。接收完后，重新設(shè)置系統(tǒng)接收狀態(tài)為HEADl，同時(shí)對(duì)該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)正確后，利用消息機(jī)制通知主程序根據(jù)命令類型對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理或執(zhí)行相應(yīng)的命令操作。
下面給出該方法在KeilC5l中的示例程序：

由于采用了狀態(tài)機(jī)和消息機(jī)制的結(jié)構(gòu)，上述設(shè)計(jì)思路快速有效地實(shí)現(xiàn)了串口通信的同步，而且程序結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù)，也易于向其他的串口通信協(xié)議移植。另外，串口中斷服務(wù)子程序中需要處理的工作很少，每個(gè)串口接收中斷平均耗時(shí)不超過20個(gè)機(jī)器周期(在單片機(jī)AT89C5l中)，大大減輕了串口接收中斷服務(wù)程序的壓力，緩解了嵌入式系統(tǒng)有限資源與需求之問的矛盾，提高了嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論
從上面的分析和測(cè)試可以看出，基于有限狀態(tài)機(jī)的串口通信幀同步方法是本文中提出的3種幀方法中最優(yōu)的，結(jié)構(gòu)清晰且系統(tǒng)資源利用率高。

對(duì)一個(gè)有著完整通信協(xié)議的串口中斷來說，因?yàn)橐容^命令頭、完成校驗(yàn)、解析數(shù)據(jù)等需要耗費(fèi)大量的機(jī)器周期，所以嵌入式系統(tǒng)中的串口中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)顯得更為重要。在實(shí)際的串口通信程序中，可采用狀態(tài)機(jī)和消息機(jī)制相結(jié)合的方法，僅在中斷服務(wù)程序中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，而在主程序中根據(jù)相應(yīng)標(biāo)志來作處理，這樣就回避了某些中斷可能需要較長處理時(shí)間的問題。在程序結(jié)構(gòu)上，由于采用狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)，既提高了可讀性。同時(shí)又提高了運(yùn)行速度，因而該方法不僅是一種很好的幀同步方法，還是一種很不錯(cuò)的串口通信程序設(shè)計(jì)方法。