單片機和DSP等嵌入式系統中串口通信幀的同步方法

ID:107593 · 發表于 2016-3-11 01:59

串口通信是日前單片機和DSP等嵌入式系統之間，以及嵌入式系統與PC機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的硬件結構中，通常只有一個8位或16位的CPU，不僅要完成主流程的工作，同時還要處理隨時發生的各種中斷，因而嵌入式系統中的串口通信程序設計與PC機有很大的不同若嵌入式系統中。中斷服務子程序在系統運行過程中占用了較多的時間，就有可能在中斷眼務子程序正運行時，又產生一個同類型或其他類型的中斷，從而造成主程序得不到執行或后續中斷數據丟失所以，嵌入式系統中的串口通信雖然看似簡單，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該問題給出了逐次比較、基于FIFO隊列和基于狀態機的3種幀同步方法通過測試、分析和比較得出，基于有限狀態機的方法是嵌入式系統串口通信中很有效的幀同步方法，同時也是一種很不錯的串口通信程序設計結構。
1 串口通信的數據幀結構
現代工業控制，往往需要由多個獨立的控制模塊來共同完成它們之間通過串口通信完成復雜的控制過程，必須在通信過程中加入必要的通信協議，以提高系統的可靠性和穩定性;而要完成特定的通信協議，就得有一定的同步機制下面介紹一下簡化的串口通信數據幀結構，以便分析說明嵌入式系統串口通信過程中的幀同步方法。
假定串口發送的數據幀結構為：

其中：包頭用于同步，一般是一個或多個ASCII字符，本文中假定數據幀同步頭有2字節(0xAA、0x55);包長表示數據包中除去包頭和包長的字節數，一般用約定好的幾個字節表示;類型為通信協議里規定的命令類型;數據為應發送的主要信息;校驗通常采用單字節“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
首先等待串口數據，將接收到的第1個字節數據與約定好的包頭信息的第1個字節進行比較如果不正確，則等待新字節，直到接收的數據與包頭信息的第1個字節相同第1個字節比較正確以后，將收到的第2個字節與包頭信息的第2個字節進行比較如果仍然正確，則說明串口接收已經同步，可以開始接收數據幀中的數據部分;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據、實時性很差、數據幀較短的場合但是，在串口速度過快且包頭字節數比較多的情況下，串口實現同步花費的時間很長或很難實現同步例如，串口接收到序列Ox0O OxAA0xAA 0x55…，當遇到第一個“0xAA”時，該方法認為第1個字節正確開始比較第2個同步頭第2個字節仍是“0xAA”而不是“0x55”，所以必須等待新的字節重新開始比較第1個同步頭而緊隨其后的是“0x55”，因而，此時包頭的第1個字節也沒有同步上事實上，“0x00 OxAA”是干擾字節，“0xAA 0x55”才是通信協議中的同步頭。
2.2 基于FIFO隊列的幀同步方法
根據同步包頭的長度，定義一個相同長度的全局字節數組，把該數組看成是一個如圖2所示的先入先出(FIFO)的隊列程序流程如圖3所示。

本例中定義兩個字節HEADl和HEAD2，都初始化為0xFF同步時，丟棄數組頭字節HEADl，數組中的所有數據向前移動一個字節，串口接收到的新字節存入數組末字節HEAD2中，將整個數組與協議中的包頭信息比較如果正確，則置位已同步標志位，然后開始接收、存儲有用數據;否則，繼續等待同步串口數據接收完后，不僅要清除已同步標志，還要把HEADl和HEAD2兩個字節都賦值0xFF;否則，將會影響下一幀數據的同步和接收用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…”進行測試，隨著串口接收中斷收到新的字節幀同步隊列中的數據依次為：[0xFF，0xFF]→[0x00，0xFF]→[0xAA，0x00]→[0xAA，0xAA]→[0x55，0xAA]此時，該算法檢測出[HEAD2，HEAD2]==[0x55，0xAA]，從而實現了同步，置位已同步標志位以便下次進入串口接收中斷服務子程序時開始接收數據包的數據部分。
此種方法與逐次比較的幀同步方法相比，能夠比較快速、正確地檢測出同步包頭;但是如果包頭的字節數很多，同步過程中每次進入串口中斷服務子程序都要進行大量的字節搬移，將必然耗費很長的時間為了使嵌入式系統更健壯，程序設計應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隊列的幀同步方法也不是最優的。
2.3 基于有限狀態機的幀同步方法
為解決以上問題，可以采用基于有限狀態機的設計方法該方法將數據幀的接收過程分為若干個狀態：接收信息頭HEADl狀態、接收信息頭HEAD2狀態、接收包長狀態、接收數據類型狀態、接收數據狀態及接收校驗和狀態系統的初始狀態為HEADl狀態，各接收狀態間的狀態轉移圖如圖4所示，仍用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…”進行測試隨著串口接收中斷新字節的接收，系統的接收狀態依次為HEAD1→HEAD1→HEAD2→HEAD2→LEN可見此時就是同步狀態該方法也快速、有效地實現了同步;但是需要注意的是，在每一次接收完1幀完整的數據之后，必須把系統的接收狀態重新設置為HEADl，否則將會影響下一幀的數據接收。

此后，程序按照協議開始依次接收數據幀長度、命令類型、數據和校驗位接收完后，重新設置系統接收狀態為HEADl，同時對該數據幀進行校驗校驗正確后，利用消息機制通知主程序根據命令類型對數據幀進行處理或執行相應的命令操作。
下面給出該方法在KeilC5l中的示例程序：

由于采用了狀態機和消息機制的結構，上述設計思路快速有效地實現了串口通信的同步，而且程序結構清晰，便于維護，也易于向其他的串口通信協議移植另外，串口中斷服務子程序中需要處理的工作很少，每個串口接收中斷平均耗時不超過20個機器周期(在單片機AT89C5l中)，大大減輕了串口接收中斷服務程序的壓力，緩解了嵌入式系統有限資源與需求之問的矛盾，提高了嵌入式系統的穩定性。
3 結論
從上面的分析和測試可以看出，基于有限狀態機的串口通信幀同步方法是本文中提出的3種幀方法中最優的，結構清晰且系統資源利用率高。
對一個有著完整通信協議的串口中斷來說，因為要比較命令頭、完成校驗、解析數據等需要耗費大量的機器周期，所以嵌入式系統中的串口中斷服務程序設計顯得更為重要在實際的串口通信程序中，可采用狀態機和消息機制相結合的方法，僅在中斷服務程序中設置一個標志，而在主程序中根據相應標志來作處理，這樣就回避了某些中斷可能需要較長處理時間的問題在程序結構上，由于采用狀態機的結構，既提高了可讀性同時又提高了運行速度，因而該方法不僅是一種很好的幀同步方法，還是一種很不錯的串口通信程序設計方法。

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