摘  要： 為了提高串口數(shù)據(jù)通信的準確率、方便上層應用編程，設計了一個協(xié)議對串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行封裝。協(xié)議采用自定義報文格式封裝串口數(shù)據(jù)幀的方式工作，利用報文應答機制保證傳輸正確性，該協(xié)議在線路故障出現(xiàn)時能有效檢測并采取報文重發(fā)等措施保證數(shù)據(jù)準確傳輸。

　　關鍵詞： 串口；通信協(xié)議；數(shù)據(jù)報；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

　　串口通信協(xié)議是計算機上非常通用的一種設備通信協(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)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)[1]。利用串口進行數(shù)據(jù)傳輸時，串口能做到奇偶校驗以確定數(shù)據(jù)是否傳輸正確，然而在實際的上位機和下位機的通信中，往往傳輸以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)，這樣僅奇偶校驗數(shù)據(jù)位并不能達到正確傳輸數(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]。本文設計的就是一種用數(shù)據(jù)報封裝了串口數(shù)據(jù)通信的協(xié)議，它能有效檢測線路狀態(tài)并處理丟包等問題。它不僅能實現(xiàn)PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，還可用于嵌入式設備的數(shù)據(jù)通信。

1 協(xié)議分層結構

　　為了使協(xié)議程序的設計更為合理，并且利于在各硬件系統(tǒng)使用，將此協(xié)議進行分層設計。由于串口通信的性質，無需過多采用面向連接來建立虛電路，因此本協(xié)議采用無連接服務[4]。協(xié)議體系結構如圖1所示。

2 協(xié)議的設計

　　本文提出的協(xié)議的設計思想是數(shù)據(jù)報的傳輸方式，即將上層應用提供的流式數(shù)據(jù)分割并格式化為一個個的數(shù)據(jù)報，再發(fā)送給串口進行串行傳輸。接收方從串口接收到的數(shù)據(jù)報經(jīng)過重新拼接形成數(shù)據(jù)流再送給上層應用。為保證串行傳輸，每個數(shù)據(jù)報的傳輸中采取發(fā)送—應答—重傳—失敗的方式工作。協(xié)議工作前需要設置超時等待時間、數(shù)據(jù)分割長度、串口參數(shù)等參數(shù)[5-6]。

　　2.1 數(shù)據(jù)報格式

　　數(shù)據(jù)報分為報文頭部和數(shù)據(jù)部兩部分，其格式如圖2所示。報文頭部由6字節(jié)組成，第1、2字節(jié)AB表示報文長度，即報文頭部長度加上數(shù)據(jù)部長度；第3、4字節(jié)CD表示整個報文的校驗和；第5、6字節(jié)XX表示應答ACK；第7、8字節(jié)GH表示報文序號。

　　數(shù)據(jù)報長度AB范圍為0~65 535，所以一個報文最大為8 KB。數(shù)據(jù)部長度等于報文長度（AB）減去報文頭長度（8 B）。

　　2.2 數(shù)據(jù)處理與報文處理

　　數(shù)據(jù)處理包括分割上層應用提供的數(shù)據(jù)，以及從報文還原拼接數(shù)據(jù)；報文處理包括格式化報文以提供給串口發(fā)送以及從串口讀取報文、校驗報文、提取數(shù)據(jù)[7]。

　　2.2.1 數(shù)據(jù)分割

　　協(xié)議從應用程序接口獲取應用程序提供的數(shù)據(jù)并以流式數(shù)據(jù)寫入發(fā)送方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；然后以事先設定的數(shù)據(jù)分割長度取數(shù)據(jù)，長度不足的部分則全部取出，取數(shù)據(jù)指針移動相應距離。

　　2.2.2 報文組裝

　　報文的組裝過程如下[8]：

　　（1）計算取出數(shù)據(jù)的長度，填入報文第1、2字節(jié)；

　　（2）報文第3~6字節(jié)全部置0；

　?。?）計算報文序號GH；

　?。?）計算校驗和，從第1字節(jié)開始，每兩個字節(jié)為一個單元進行分割，末尾不足兩字節(jié)則在其后補0，再將這些單元進行二進制反碼求和，結果存在檢驗和字段中第3、4字節(jié)；

　?。?）將取出的數(shù)據(jù)接在報文頭部后面，將整個報文寫入報文緩沖區(qū)。

　　2.2.3 報文拆分

　　報文拆分的具體步驟如下[9]：

　?。?）從報文緩沖區(qū)按報文長度獲取報文數(shù)據(jù)；

　　（2）計算校驗和，方法同報文組裝里的計算方法：如果校驗和不為0xFFFF，則傳輸過程中發(fā)生差錯，丟棄此報文；如果校驗和為0xFFFF，取出報文長度及報文序號，計算數(shù)據(jù)部長度，取出數(shù)據(jù)[9]。

　　2.2.4 數(shù)據(jù)拼接

　　將從報文取出的數(shù)據(jù)填入接收方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，寫數(shù)據(jù)指針移動相應距離；接收完最后一個數(shù)據(jù)后，協(xié)議將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提供給上層應用程序，寫數(shù)據(jù)指針恢復初始值。

　　2.3 數(shù)據(jù)報傳輸過程

　　數(shù)據(jù)報傳輸情況分為考慮定時器超時和不考慮定時器超時兩種，定時器超時處理應屬于中斷調用。

　　2.3.1 傳輸過程

　　數(shù)據(jù)報傳輸過程如下[10]：

　?。?）在進行數(shù)據(jù)報傳輸前，發(fā)送方將數(shù)據(jù)分割并裝進報文，ACK置為0x0000，計算報文序號，再將報文送入報文緩沖區(qū)。

　?。?）開始發(fā)送時，串口按已經(jīng)設定的工作方式和波特率工作，從報文緩沖區(qū)獲取報文數(shù)據(jù)并發(fā)送。

　?。?）發(fā)送方發(fā)送完畢一個數(shù)據(jù)報后，停止發(fā)送，啟動定時器計時，準備接收響應。

　?。?）接收方串口接收數(shù)據(jù)并填入報文緩沖區(qū)。

　?。?）接收方從報文緩沖區(qū)獲取報文數(shù)據(jù)，進行校驗：

　?、偃艚邮辗叫ｒ灲Y果為正確，則取出數(shù)據(jù)；若接收的ACK=0x0011并且收到的序號等于前面一個報文的序號，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)；記錄報文序號，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x1111的報文。

　?、谌艚邮辗叫ｒ灲Y果為錯誤，則丟棄數(shù)據(jù)報，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x1110的報文，通知發(fā)送方重發(fā)。

　?。?）接收方每次處理完數(shù)據(jù)報均初始化并啟動定時器計時，剛收到數(shù)據(jù)報時關閉定時器。

　?。?）發(fā)送方收到響應報文，校驗通過則關閉定時器，獲取ACK，若ACK=0x1111，則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)報；若ACK=0x1110，則重發(fā)當前數(shù)據(jù)報（ACK置0x0011）。如果校驗不通過就丟棄此數(shù)據(jù)報，仍保持定時器計時。

　　（8）雙方重復以上步驟直到最后一個報文發(fā)送完畢。

　?。?）發(fā)送方發(fā)送最后一個報文完成后，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x0001的報文提示數(shù)據(jù)傳輸完畢，若此報文發(fā)送后收到重傳響應，則重發(fā)此數(shù)據(jù)報（ACK仍置0x0001）[10]。

　　2.3.2 定時器超時處理

　　若發(fā)送方定時器達到發(fā)送方超時等待時間仍未收到響應報文，則重傳當前數(shù)據(jù)報（ACK置0x0011），連續(xù)超時三次還沒收到應答則停止發(fā)送數(shù)據(jù)報，清空報文緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并向應用程序返回通信失敗[11]。若接收方定時器達到接收方超時等待時間仍未收到報文，清空報文緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，關閉定時器，并向上層應用程序返回通信失敗。

3 結論

　　本文所設計的協(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)報時，串口的速度其實不高，而本協(xié)議若需控制在毫秒級的處理，所發(fā)數(shù)據(jù)不能超過1 192 B。報文長度字節(jié)AB范圍為0~65 535，故每個報文大小為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，比如在信號采集后的數(shù)據(jù)傳送等，傳輸一個雙精度浮點數(shù)需要14 ms左右。

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