基于有限狀態(tài)機(jī)的嵌入式系統(tǒng)串口通信幀同步方法設(shè)計(jì)

串口通信是日前單片機(jī)和DSP等嵌入式系統(tǒng)之間，以及嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)或無線模塊之間的一種非常重要且普遍使用的通信方式。在嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常只有一個(gè)8位或16位的CPU，不僅要完成主流程的工作，同時(shí)還要處理隨時(shí)發(fā)生的各種中斷，因而嵌入式系統(tǒng)中的串口通信程序設(shè)計(jì)與PC機(jī)有很大的不同。若嵌入式系統(tǒng)中。中斷服務(wù)子程序在系統(tǒng)運(yùn)行過程中占用了較多的時(shí)間，就有可能在中斷眼務(wù)子程序正運(yùn)行時(shí)，又產(chǎn)生一個(gè)同類型或其他類型的中斷，從而造成主程序得不到執(zhí)行或后續(xù)中斷數(shù)據(jù)丟失。所以，嵌入式系統(tǒng)中的串口通信雖然看似簡(jiǎn)單，但其中仍有許多問題值得研究，例如串口通信過程中的幀同步問題。本文針對(duì)該問題給出了逐次比較、基于FIFO隊(duì)列和基于狀態(tài)機(jī)的3種幀同步方法。通過測(cè)試、分析和比較得出，基于有限狀態(tài)機(jī)的方法是嵌入式系統(tǒng)串口通信中很有效的幀同步方法，同時(shí)也是一種很不錯(cuò)的串口通信程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

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(jiǎn)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(zhǎng)表示數(shù)據(jù)包中除去包頭和包長(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)度，定義一個(gè)相同長(zhǎng)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。