嵌入式環(huán)境下串行幀通信的設(shè)計(jì)

　　嵌入式系統(tǒng)之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。并行方式傳輸數(shù)據(jù)速度快，但占用的通信線多，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數(shù)據(jù)傳送。在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前RS 232串口是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，它應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，實(shí)際使用中多采用最簡(jiǎn)單的三線方式連接，即兩端設(shè)備的串口只連接收、發(fā)、地三根線，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的全雙工通信。通信協(xié)議是兩端設(shè)備數(shù)據(jù)交換的語(yǔ)言，是通信可靠性的保證，在保證功能的前提下，通信協(xié)議應(yīng)該力求簡(jiǎn)潔。

　　在嵌入式環(huán)境下，因設(shè)備間通信距離較遠(yuǎn)，多采用串行通信方式，但許多串行通信協(xié)議只適用于協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境，不具有通用性，且有些協(xié)議存在通信失敗的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析設(shè)備間的通信需求，設(shè)計(jì)了一種分層的串行幀通信協(xié)議，該協(xié)議簡(jiǎn)單可靠，能適應(yīng)多種系統(tǒng)環(huán)境。在嵌入式Linux系統(tǒng)環(huán)境下，該協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定。

　　1 系統(tǒng)通信需求

　　本系統(tǒng)主要完成野外環(huán)境下時(shí)間間隔測(cè)量和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集的功能，系統(tǒng)內(nèi)各模塊均選用三星公司的S3C2440芯片為處理器，操作系統(tǒng)使用嵌入式Linux。模塊間通信的主要任務(wù)為控制命令的下發(fā)與應(yīng)答、工作狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)的上報(bào)等，對(duì)通信的可靠性要求較高，無(wú)數(shù)據(jù)加密需求。

　　根據(jù)系統(tǒng)軟硬件情況設(shè)定串口工作參數(shù)如下：115 200波特率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)、無(wú)流控。波特率的設(shè)置需要綜合考慮所選用芯片的串口性能、串口連接線長(zhǎng)度、傳輸數(shù)據(jù)的最大幀長(zhǎng)和應(yīng)用過(guò)程中的誤碼率等;無(wú)流控則是由于串口使用三線方式連接。

　　2 通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)

　　為保證不同設(shè)備之間通信協(xié)議的通用性，降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，將通信協(xié)議為分上下兩層：上層為應(yīng)用層，規(guī)范了設(shè)備間應(yīng)用程序通信使用的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式;下層為鏈路層，提供物理線路數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，應(yīng)用層數(shù)據(jù)拆分與合并、封裝與解封裝以及錯(cuò)誤檢測(cè)功能。協(xié)議應(yīng)用層部分根據(jù)各設(shè)備功能的不同使用不同的數(shù)據(jù)格式，而鏈路層部分則完全通用。應(yīng)用層通信過(guò)程如圖1所示。

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　　發(fā)方設(shè)備按照約定的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式構(gòu)造應(yīng)用層數(shù)據(jù)，交由鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆分、封裝、校驗(yàn)，再將生成的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送至物理線路;收方設(shè)備則從物理線路上接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行幀定位、解封裝、錯(cuò)誤檢測(cè)、數(shù)據(jù)合并等，最后將應(yīng)用層數(shù)據(jù)上交給應(yīng)用層處理。收發(fā)方設(shè)備的應(yīng)用層可根據(jù)用戶需求的變化，不斷修改應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式，并利用鏈路層提供的功能接口完成通信功能，故該通信協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于鏈路層，以下著重闡述鏈路層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　3 鏈路層設(shè)計(jì)

　　鏈路層主要包含以下功能：數(shù)據(jù)拆分與合并、數(shù)據(jù)封裝與解封裝、數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收以及錯(cuò)誤檢測(cè)與重發(fā)機(jī)制。

　　3.1 數(shù)據(jù)拆分與合并

　　數(shù)據(jù)拆分即是把過(guò)長(zhǎng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)分成幾部分，用多幀數(shù)據(jù)幀發(fā)送，接收端收到后再進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，上交給應(yīng)用層處理。過(guò)長(zhǎng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)如果不進(jìn)行拆分，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀超出設(shè)計(jì)的緩沖區(qū)大小，也可能造成發(fā)送時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致超時(shí)錯(cuò)誤。這個(gè)長(zhǎng)度需要根據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)置，當(dāng)數(shù)據(jù)幀傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，這幀數(shù)據(jù)就需要重新傳輸，長(zhǎng)度太大將造成較大開銷;長(zhǎng)度太小，封裝時(shí)產(chǎn)生的開銷字節(jié)所占比例又太高，影響傳輸效率。

　　3.2 數(shù)據(jù)封裝與解封裝

　　數(shù)據(jù)封裝即是以一定格式把拆分后的應(yīng)用層數(shù)據(jù)加上功能指示、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等字段，以便對(duì)方收到后知道如何處理。數(shù)據(jù)封裝格式及功能指示字段含義如表1，表2所示。

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　　3.3 幀發(fā)送與接收

　　鏈路層以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，一種普遍的界定幀起始與結(jié)束的方法是：在待發(fā)送數(shù)據(jù)的頭部和尾部加入特殊的起始碼和結(jié)束碼，如果在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了這個(gè)碼型，就必須在數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理，把它轉(zhuǎn)換成其他碼型，否則將導(dǎo)致幀定位錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)通信失敗。很多協(xié)議實(shí)現(xiàn)者為求實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單沒有進(jìn)行這種轉(zhuǎn)義，存在通信失敗的風(fēng)險(xiǎn)，其實(shí)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP協(xié)議)中的描述了一種轉(zhuǎn)義處理方法，經(jīng)簡(jiǎn)化后，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也并不復(fù)雜，描述如下：