基于通信控制器實(shí)現(xiàn)高效串行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：宋兵躍，吳軍輝，黃斌

1 串行通信介紹

所謂串行通信，就是將數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)的二進(jìn)制位（bit） ，然后通過一條線路或一個(gè)通信信道，按照規(guī)定的規(guī)程逐位依次進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的通信（數(shù)據(jù)交換） 。串行通信因其占用硬件資源少、可大幅度降低通信線路的成本、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［1 ］ 。

目前，有EIA2RS232 、EIA2RS485 、電流環(huán)、CAN 等串行通信方式。EIA2RS232 是全雙工的通信模式，可以保證短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速傳輸;EIA2RS485 可實(shí)現(xiàn)較長距離下的多點(diǎn)互聯(lián)通信;CAN 屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，采用多主機(jī)制，改善了在集散控制系統(tǒng)下的主從通信模式［2 ］ 。隨著應(yīng)用需求的復(fù)雜化，對(duì)串行通信的通信效率及性能的要求越來越高，所以如何制定一套切實(shí)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(gè)高效的串行數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序，是亟待解決的一大問題。

面向各個(gè)領(lǐng)域不同的應(yīng)用需求，串行通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也多種多樣，如總線型、環(huán)型、星型等。本文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(shí)現(xiàn)。

2 串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

2. 1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

加油站信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)中，每臺(tái)加油機(jī)為一個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（即圖中的控制點(diǎn)） ，通過半雙工RS485 總線連接至通信控制器。在該RS485 網(wǎng)絡(luò)中，通信控制器為主機(jī)（Master） ，各加油機(jī)為從機(jī)（Slave） ，構(gòu)成一個(gè)主從通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在多種串行接口標(biāo)準(zhǔn)中，RS485接口以其結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、使用的傳輸線較少、在長距離通信時(shí)比較經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在集散式控制裝置中得到了廣泛應(yīng)用。RS485 采用差分電平傳輸，只需兩根信號(hào)線，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RS232總線與管理PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。RS232 總線為全雙工通信總線，為了保證實(shí)時(shí)性和高效性，管理PC 機(jī)和通信控制器這個(gè)層面的數(shù)據(jù)交互采用互為主機(jī)的通信方式，以此構(gòu)成一個(gè)集散控制系統(tǒng)。

各個(gè)加油站信息管理系統(tǒng)中，控制點(diǎn)的數(shù)目可能較大，所以對(duì)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性提出了較高的要求。采用RS485總線作為底層通信接口。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式相比，任何節(jié)點(diǎn)均能偵聽到總線上傳輸?shù)娜魏螖?shù)據(jù)，這對(duì)串行通信數(shù)據(jù)接收處理也提出了很高的要求。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既要可靠、穩(wěn)定地完成其自身的控制工作，又要準(zhǔn)確、高效地在RS485 總線上接收到發(fā)送至本節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)幀。

2. 2 通信協(xié)議格式的定義

2. 2. 1 協(xié)議幀格式

（1） 主機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)（5AH + A5 H） + 長度（從命令字開始到校驗(yàn)和為止的字節(jié)數(shù)） + 命令字HIGH + 命令字LOW+ 機(jī)號(hào)+ 參數(shù)+ 1 字節(jié)校驗(yàn)和（從命令字開始到校驗(yàn)碼前一字節(jié)的邏輯異或和）

（2） 從機(jī)上傳數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)（9BH + B9 H） + 長度（從命令字開始到校驗(yàn)和為止的字節(jié)數(shù)） + 命令字HIGH + 命令字LOW +機(jī)號(hào)+ 參數(shù)+ 1 字節(jié)校驗(yàn)和（從命令字開始到校驗(yàn)碼前一字節(jié)的邏輯異或和）

2. 2. 2 協(xié)議幀解釋

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)：采用一字節(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)的其他部分完全不同） 。接收方在接收錯(cuò)誤后，接收數(shù)據(jù)時(shí)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(duì)通信效率的影響?？筛鶕?jù)實(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)長度進(jìn)行更為嚴(yán)格的校驗(yàn)。

命令字：根據(jù)實(shí)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(hào)：所需接收方的地址識(shí)別號(hào)?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行修改，如增加源地址、目的地址等。

參數(shù)：應(yīng)用數(shù)據(jù)?？紤]到數(shù)據(jù)的安全性，可針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)該部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。

校驗(yàn)和：數(shù)據(jù)校驗(yàn)，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的校驗(yàn)方式 。

3 高效串行通信方式的實(shí)現(xiàn)

3. 1 通信控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

通信控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖2 所示。通信控制器首先判斷最高優(yōu)先級(jí)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，接著判斷次高優(yōu)先級(jí)的命令字是否需要發(fā)送。如果需要?jiǎng)t進(jìn)入發(fā)送流程，根據(jù)命令字的優(yōu)先級(jí)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(shí)，通信控制器會(huì)發(fā)送輪詢命令字。此外，在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，通信控制器會(huì)開啟接收超時(shí)定時(shí)器T2 ，如果通信控制器在超時(shí)時(shí)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(shí)關(guān)閉T2 。如果系統(tǒng)長時(shí)間未收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀，則重新發(fā)送該命令字的數(shù)據(jù)，并記錄發(fā)送該命令字的次數(shù)。

當(dāng)發(fā)送的命令字的幀超過10 次仍未收到相應(yīng)應(yīng)答命令，則視為該命令字和PC 機(jī)的通信失敗，把通信流程重新調(diào)整到輪詢命令字狀態(tài)下。

發(fā)送的代碼程序放到單片機(jī)的串行中斷服務(wù)程序中來處理 ，代碼如下：

3. 2 通信控制器接收數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

在通信控制器的接收端，應(yīng)保持串行中斷的優(yōu)先級(jí)最高。這樣才能保證系統(tǒng)時(shí)刻可以和PC 處于通信的狀態(tài)。具體的處理機(jī)制如下：

①找到幀頭（本協(xié)議是2 個(gè)字節(jié)） 。找到第1 個(gè)幀頭，就把接收步驟的全部標(biāo)志S 賦值1 ，把接收字節(jié)的內(nèi)容放到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。接著找第2 個(gè)幀頭，找到幀頭后把內(nèi)容順序放到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。繼續(xù)判斷命令字是不是協(xié)議中規(guī)定的合法命令字。如果是，再根據(jù)命令字所對(duì)應(yīng)的長度來判斷該幀數(shù)據(jù)的合法性。因?yàn)樵谥贫ㄍㄐ艆f(xié)議時(shí)就規(guī)定了特定命令字所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)長度，這兩點(diǎn)約束條件就可以保證接收數(shù)據(jù)是合法的，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。如果命令字和其對(duì)應(yīng)的長度值合法，則把S值賦值為3 ，進(jìn)入下一步的數(shù)據(jù)處理步驟。

②在一幀數(shù)據(jù)接收開始時(shí)，開啟接收超時(shí)定時(shí)器。如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到一幀完整的數(shù)據(jù)，則視為本次通信流程失敗，重新初始化串行通信，等待下次通信。

③如果一幀數(shù)據(jù)完全接收正確并成功，則關(guān)閉接收定時(shí)器，停止響應(yīng)串行中斷，以防止處理的過程中有新的接收數(shù)據(jù)影響有效數(shù)據(jù)的處理。處理完畢， 使能串行中斷，打開接收定時(shí)器， 清除接收步驟S 為0 ，根據(jù)處理過程中標(biāo)志位的改變情況繼續(xù)和PC 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信。通信控制器數(shù)據(jù)接收流程如圖3所示。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一套完整的通信協(xié)議，通信控制器的發(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。在通信控制器的接收端，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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，按照此協(xié)議進(jìn)行的通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，通信高效可靠，自適應(yīng)能力強(qiáng)，具有在相關(guān)領(lǐng)域推廣的價(jià)值。

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