一、串行通信介紹

1、串行通信概述

串行通信是將數(shù)據(jù)分成若干二進(jìn)制位（bit），然后通過一條線路或一個通信信道，按照規(guī)定的規(guī)程逐位依次進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與外部設(shè)備之間的通信（數(shù)據(jù)交換）。

在通信領(lǐng)域內(nèi)，有兩種數(shù)據(jù)通信方式：并行通信和串行通信。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化和微機(jī)分級分布式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，通信的功能越來越重要。通信是指計算機(jī)與外界的信息傳輸，既包括計算機(jī)與計算機(jī)之間的傳輸，也包括計算機(jī)與外部設(shè)備，如終端、打印機(jī)和磁盤等設(shè)備之間的傳輸。

串行通信具有占用硬件資源少、可大幅度降低通信線路成本、簡化通信設(shè)備、應(yīng)用靈活、易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2、串行通信特點(diǎn)

數(shù)據(jù)在單條一位寬的傳輸線上，一比特接一比特地按順序傳送的方式稱為串行通信。

一位接一位地順序傳送。這樣一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。由此可見，串行通信的特點(diǎn)如下：

（1）節(jié)省傳輸線，這是顯而易見的。尤其是在遠(yuǎn)程通信時，此特點(diǎn)尤為重要。這也是串行通信的主要優(yōu)點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)傳送效率低。與并行通信比，這也這是顯而易見的。這也是串行通信的主要缺點(diǎn)。

例如：傳送一個字節(jié)，并行通信只需要1T的時間，而串行通信至少需要8T的時間。 由此可見，串行通信適合于遠(yuǎn)距離傳送，可以從幾米到數(shù)千公里。對于長距離、低速率的通信，串行通信往往是唯一的選擇。并行通信適合于短距離、高速率的數(shù)據(jù)傳送，通常傳輸距離小于30米。特別值得一提的是，現(xiàn)成的公共電話網(wǎng)是通用的長距離通信介質(zhì)，它雖然是為傳輸聲音信號設(shè)計的，但利用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可使現(xiàn)成的公共電話網(wǎng)系統(tǒng)為串行數(shù)據(jù)通信提供方便、實用的通信線路。

3、串行通信方式

EIA-RS232、EIA-RS485、電流環(huán)、CAN等串行通信方式是通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的串行接口。EIA-RS232是全雙工的通信模式，可保證短距離點(diǎn)對點(diǎn)的高速傳輸，EIA-RS485實現(xiàn)了較長距離下的多點(diǎn)互聯(lián)通信。CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，采用了多主機(jī)制，改善了在集散控制系統(tǒng)下的主從通信模式。

隨著應(yīng)用需求的復(fù)雜化，對串行通信的性能、通信效率的提升需求越來越明顯。如何制定一套切實可行、簡單易用，又能大幅度提高串行通信效率的通信協(xié)議；如何在PC端、嵌入式系統(tǒng)端構(gòu)建一個高效的串行數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序，是串行通信協(xié)議中等待解決的問題。本文將以加油站信息管理系統(tǒng)為例，介紹串行通信協(xié)議的制定以及高效通信數(shù)據(jù)處理的實現(xiàn)。

二、串行通信協(xié)議的設(shè)計

1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

加油站信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每臺加油機(jī)為一個應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（即圖1中的控制點(diǎn)），通過半雙工RS-485總線連接至通信控制器，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，通信控制器為主機(jī)，各加油機(jī)為從機(jī)，構(gòu)成一個主從通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在多種串行接口標(biāo)準(zhǔn)中，RS-485接口結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、使用傳輸線較少，長距離通信較經(jīng)濟(jì)，在集散式控制裝置中得到了廣泛應(yīng)用。RS-485采用差分電平傳輸，只需2根信號線，即可以方便地增加控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

通信控制器通過全雙工RS-232總線與管理PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，管理PC和通信控制器層面的數(shù)據(jù)交互，保證了實時性和高效性，采用互為主機(jī)的通信方式，以此構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。

2、通信協(xié)議格式的定義

（1）協(xié)議幀格式

1）主機(jī)（Master）下發(fā)數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)（5AH+A5H）+長度（從命令字開始到校驗和為止的字節(jié)數(shù)）+命令字HIGH+命令字LOW+機(jī)號+參數(shù)+一個字節(jié)校驗和（從命令字開始到校驗碼前一個字節(jié)的邏輯“異或”和）。

2）從機(jī)（Slave）上傳數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)（9BH+B9H）+長度（從命令字開始到校驗和為止的字節(jié)數(shù)）+命令字HIGH+命令字LOW+機(jī)號+參數(shù)+一個字節(jié)校驗和（從命令字開始到校驗碼前一個字節(jié)的邏輯“異或”和）。

（2）協(xié)議幀解釋

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)：采用1個字節(jié)或多字節(jié)作為幀起始標(biāo)志，該部分的字節(jié)定義應(yīng)盡量與幀數(shù)據(jù)的其他部分完全不一樣。接收方在接收數(shù)據(jù)時總是先尋找?guī)^。幀頭的排他性將有利于提高各通信節(jié)點(diǎn)的接收效率。

長度：應(yīng)盡量采用短幀，以避免各種干擾因素對通信效率的影響?？筛鶕?jù)實際應(yīng)用情況，在“長度”后增加“長度反碼”或“長度補(bǔ)碼”等校驗數(shù)據(jù)對長度進(jìn)行更為嚴(yán)格的校驗。

命令字：根據(jù)實際通信應(yīng)用需求，可應(yīng)用1~2字節(jié)的通信命令字。

機(jī)號：該幀所需接收方的地址識別號，可根據(jù)實際應(yīng)用需求對其進(jìn)行修改，如增加源地址、目的地址等。

參數(shù)：該幀的應(yīng)用數(shù)據(jù)，針對不同的應(yīng)用，考慮到數(shù)據(jù)的安全性，可對該部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。

校驗和：該幀的數(shù)據(jù)校驗，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的校驗方式。

三、高效串行通信方式的實現(xiàn)

1、PC端軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

PC端的軟件首先判斷最高優(yōu)先級的命令字是否需要發(fā)送，如果需要，則進(jìn)入該命令字的發(fā)送流程；如果沒有，接著判斷次高級優(yōu)先級的命令字是否需要發(fā)送，如果需要，則進(jìn)入發(fā)送流程。

根據(jù)命令字的優(yōu)先級由高到低的順序依次判斷要發(fā)送的命令字，當(dāng)沒有通信數(shù)據(jù)命令字發(fā)送時，PC端軟件將發(fā)送輪詢命令字。

此外，在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，PC端軟件會開啟接收超時定時器T,如果PC端軟件在超時時間內(nèi)收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀則進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程，同時關(guān)閉接收超時定時器T;如果系統(tǒng)定時時間內(nèi)未收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀，則重新發(fā)送該命令字的幀數(shù)據(jù)，并記錄發(fā)送該命令字的次數(shù)，當(dāng)發(fā)送命令字的幀超過10次未收到相應(yīng)應(yīng)答命令，即視為該命令字和控制點(diǎn)的通信失敗，將通信流程重新調(diào)整到輪詢命令字狀態(tài)下。

2、PC端軟件接收數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

在PC軟件端的接收程序部分，按字節(jié)來處理接收到的每幀數(shù)據(jù)，而不是按幀來處理。為此，應(yīng)用程序?qū)⒋诘慕邮罩袛嗟捻憫?yīng)字節(jié)閾值設(shè)為1,即當(dāng)接收緩沖區(qū)有多于1個數(shù)據(jù)便進(jìn)入接收數(shù)據(jù)處理流程。

當(dāng)開始接收一幀數(shù)據(jù)時，首先找到幀頭，其次應(yīng)根據(jù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)長度和幀長度的關(guān)系來分類處理。因為Windows對串口的封裝（開發(fā)平臺為VC++6.0），使得應(yīng)用程序無法來設(shè)定軟件，根據(jù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)閾值來響應(yīng)串行中斷。所以在通信過程中當(dāng)PC產(chǎn)生串行中斷時，應(yīng)根據(jù)串行中斷當(dāng)前數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長度來做分類處理。

首先，把接收緩沖區(qū)ReceBuffer[M]的數(shù)據(jù)取出來，放到待處理緩沖區(qū)DealBuffer[M]中（為了防止該幀數(shù)據(jù)還沒有處理完畢，未處理的數(shù)據(jù)會被新來的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失）。其次，要確定接收數(shù)據(jù)的幀頭，方法就是逐字節(jié)查找，一般幀頭在接收緩沖區(qū)中出現(xiàn)的位置有3種情況，如圖2所示，每一個方格代表一個字節(jié)。

如果幀頭就是接收緩沖區(qū)的前兩個字節(jié)（如圖2（a）所示），則按照通信協(xié)議依次處理剩下的接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)。用全局變量表示接收緩沖區(qū)處理步驟S,正確接收到2個幀頭后P賦值為2.

如果幀頭在接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的不連續(xù)字節(jié)內(nèi)（如圖2（b）所示），應(yīng)把從第2個幀頭開始的有效數(shù)據(jù)移到第1個幀頭后，如圖3所示，使得待處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)形成連續(xù)的一幀數(shù)據(jù)來繼續(xù)下一步的處理。

如果幀頭分散在兩個數(shù)據(jù)幀中（如圖2（c）所示），即PC響應(yīng)串行中斷第1次接收到第1個幀頭，第2次響應(yīng)或者第n次響應(yīng)串行中斷接收到第2個幀頭。當(dāng)接收到第1個幀頭后，S賦值為1.當(dāng)下次響應(yīng)串行中斷時，判斷S的值，如果是1,表示第1個幀頭已經(jīng)找到，開始在接收到的幀數(shù)據(jù)中尋找第2個幀頭；如果找到，S賦值為2,并把從第2個幀頭開始的有效數(shù)據(jù)移到第1個幀頭后，使待處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)形成連續(xù)的一幀數(shù)據(jù)來處理。

判斷命令字是否為協(xié)議中規(guī)定的合法命令字。如果是，將根據(jù)命令字所對應(yīng)的長度來判斷該幀數(shù)據(jù)的合法性，因為在制定通信協(xié)議時，規(guī)定了特定命令字所對應(yīng)的數(shù)據(jù)長度，這兩點(diǎn)約束條件可以保證接收數(shù)據(jù)的合法性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果命令字和其對應(yīng)的長度值合法則將S賦值為3,進(jìn)入下一步的數(shù)據(jù)處理步驟。

最后，關(guān)閉發(fā)送定時器，防止處理的過程中有新的接收數(shù)據(jù)影響處理有效數(shù)據(jù)的過程。處理完畢，打開發(fā)送定時器，根據(jù)處理過程中標(biāo)志位的改變情況繼續(xù)與控制點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信。在處理接收數(shù)據(jù)的步驟中，如果任何一個步驟出現(xiàn)非法數(shù)據(jù)，則清空ReceBuffer[M]和DealBuffer[M],認(rèn)為該幀數(shù)據(jù)傳輸出錯，丟棄該幀數(shù)據(jù)，并初始化接收變量，重新設(shè)定接收超時定時器，接收下一次通信數(shù)據(jù)。

四、小結(jié)

本文通過完整的串行通信協(xié)議的設(shè)計，在PC軟件發(fā)送端始終處于通信狀態(tài)，能以很快的速度響應(yīng)系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定的命令字及其數(shù)據(jù)的發(fā)送。同時，在PC軟件接收端，采用逐字節(jié)處理的方式，通過設(shè)定全局變量來確定處理接收數(shù)據(jù)幀的步驟，細(xì)化了處理接收數(shù)據(jù)的過程，保證了數(shù)據(jù)高效可靠的傳輸。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在上海寶鋼集團(tuán)加油站信息管理系統(tǒng)中，實驗結(jié)果證明，此協(xié)議的通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、通信效率高效可靠、自適應(yīng)能力強(qiáng)，具有在相關(guān)領(lǐng)域推廣的價值和意義。