摘 要： 為了提高串口數(shù)據(jù)通信的準確率,、方便上層應用編程，設計了一個協(xié)議對串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行封裝,。協(xié)議采用自定義報文格式封裝串口數(shù)據(jù)幀的方式工作,，利用報文應答機制保證傳輸正確性，該協(xié)議在線路故障出現(xiàn)時能有效檢測并采取報文重發(fā)等措施保證數(shù)據(jù)準確傳輸,。
關鍵詞： 串口,；通信協(xié)議；數(shù)據(jù)報,；數(shù)據(jù)傳輸
0 引言
串口通信協(xié)議是計算機上非常通用的一種設備通信協(xié)議,，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)[1],。利用串口進行數(shù)據(jù)傳輸時,，串口能做到奇偶校驗以確定數(shù)據(jù)是否傳輸正確，然而在實際的上位機和下位機的通信中,，往往傳輸以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù),，這樣僅奇偶校驗數(shù)據(jù)位并不能達到正確傳輸數(shù)據(jù)的目的[2]，因此需要建立在串口之上的數(shù)據(jù)交換規(guī)則，即封裝串口通信的協(xié)議[3],。本文設計的就是一種用數(shù)據(jù)報封裝了串口數(shù)據(jù)通信的協(xié)議,，它能有效檢測線路狀態(tài)并處理丟包等問題。它不僅能實現(xiàn)PC之間的數(shù)據(jù)傳輸,，還可用于嵌入式設備的數(shù)據(jù)通信,。
1 協(xié)議分層結(jié)構(gòu)
為了使協(xié)議程序的設計更為合理，并且利于在各硬件系統(tǒng)使用,，將此協(xié)議進行分層設計,。由于串口通信的性質(zhì)，無需過多采用面向連接來建立虛電路,，因此本協(xié)議采用無連接服務[4],。協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 協(xié)議的設計
本文提出的協(xié)議的設計思想是數(shù)據(jù)報的傳輸方式,，即將上層應用提供的流式數(shù)據(jù)分割并格式化為一個個的數(shù)據(jù)報,，再發(fā)送給串口進行串行傳輸。接收方從串口接收到的數(shù)據(jù)報經(jīng)過重新拼接形成數(shù)據(jù)流再送給上層應用,。為保證串行傳輸,，每個數(shù)據(jù)報的傳輸中采取發(fā)送—應答—重傳—失敗的方式工作。協(xié)議工作前需要設置超時等待時間,、數(shù)據(jù)分割長度,、串口參數(shù)等參數(shù)[5-6]。
2.1 數(shù)據(jù)報格式
數(shù)據(jù)報分為報文頭部和數(shù)據(jù)部兩部分,，其格式如圖2所示,。報文頭部由6字節(jié)組成，第1,、2字節(jié)AB表示報文長度,，即報文頭部長度加上數(shù)據(jù)部長度；第3,、4字節(jié)CD表示整個報文的校驗和,；第5、6字節(jié)XX表示應答ACK,；第7,、8字節(jié)GH表示報文序號。
數(shù)據(jù)報長度AB范圍為0~65 535,，所以一個報文最大為8 KB,。數(shù)據(jù)部長度等于報文長度（AB）減去報文頭長度（8 B）。
2.2 數(shù)據(jù)處理與報文處理
數(shù)據(jù)處理包括分割上層應用提供的數(shù)據(jù),，以及從報文還原拼接數(shù)據(jù),；報文處理包括格式化報文以提供給串口發(fā)送以及從串口讀取報文、校驗報文,、提取數(shù)據(jù)[7],。
2.2.1 數(shù)據(jù)分割
協(xié)議從應用程序接口獲取應用程序提供的數(shù)據(jù)并以流式數(shù)據(jù)寫入發(fā)送方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；然后以事先設定的數(shù)據(jù)分割長度取數(shù)據(jù),，長度不足的部分則全部取出,，取數(shù)據(jù)指針移動相應距離。
2.2.2 報文組裝
報文的組裝過程如下[8]：
?。?）計算取出數(shù)據(jù)的長度,，填入報文第1、2字節(jié),；
?。?）報文第3~6字節(jié)全部置0；
?。?）計算報文序號GH,；
（4）計算校驗和,，從第1字節(jié)開始,，每兩個字節(jié)為一個單元進行分割，末尾不足兩字節(jié)則在其后補0,，再將這些單元進行二進制反碼求和,，結(jié)果存在檢驗和字段中第3、4字節(jié),；
?。?）將取出的數(shù)據(jù)接在報文頭部后面，將整個報文寫入報文緩沖區(qū),。
2.2.3 報文拆分
報文拆分的具體步驟如下[9]：
?。?）從報文緩沖區(qū)按報文長度獲取報文數(shù)據(jù)；
?。?）計算校驗和,，方法同報文組裝里的計算方法：如果校驗和不為0xFFFF，則傳輸過程中發(fā)生差錯,，丟棄此報文,；如果校驗和為0xFFFF，取出報文長度及報文序號,，計算數(shù)據(jù)部長度,，取出數(shù)據(jù)[9]。
2.2.4 數(shù)據(jù)拼接
將從報文取出的數(shù)據(jù)填入接收方數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，寫數(shù)據(jù)指針移動相應距離,；接收完最后一個數(shù)據(jù)后,，協(xié)議將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提供給上層應用程序，寫數(shù)據(jù)指針恢復初始值,。
2.3 數(shù)據(jù)報傳輸過程
數(shù)據(jù)報傳輸情況分為考慮定時器超時和不考慮定時器超時兩種,，定時器超時處理應屬于中斷調(diào)用。
2.3.1 傳輸過程
數(shù)據(jù)報傳輸過程如下[10]：
?。?）在進行數(shù)據(jù)報傳輸前,，發(fā)送方將數(shù)據(jù)分割并裝進報文，ACK置為0x0000,，計算報文序號,，再將報文送入報文緩沖區(qū)。
?。?）開始發(fā)送時,，串口按已經(jīng)設定的工作方式和波特率工作，從報文緩沖區(qū)獲取報文數(shù)據(jù)并發(fā)送,。
?。?）發(fā)送方發(fā)送完畢一個數(shù)據(jù)報后，停止發(fā)送,，啟動定時器計時,，準備接收響應。
?。?）接收方串口接收數(shù)據(jù)并填入報文緩沖區(qū),。
（5）接收方從報文緩沖區(qū)獲取報文數(shù)據(jù),，進行校驗：
?、偃艚邮辗叫ｒ灲Y(jié)果為正確，則取出數(shù)據(jù),；若接收的ACK=0x0011并且收到的序號等于前面一個報文的序號,，則將數(shù)據(jù)覆蓋到前一塊數(shù)據(jù)，否則將數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),；記錄報文序號,，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空、ACK=0x1111的報文,。
?、谌艚邮辗叫ｒ灲Y(jié)果為錯誤，則丟棄數(shù)據(jù)報,，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空,、ACK=0x1110的報文，通知發(fā)送方重發(fā),。
?。?）接收方每次處理完數(shù)據(jù)報均初始化并啟動定時器計時,，剛收到數(shù)據(jù)報時關閉定時器。
?。?）發(fā)送方收到響應報文,，校驗通過則關閉定時器，獲取ACK,，若ACK=0x1111，則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)報,；若ACK=0x1110,，則重發(fā)當前數(shù)據(jù)報（ACK置0x0011）。如果校驗不通過就丟棄此數(shù)據(jù)報,，仍保持定時器計時,。
（8）雙方重復以上步驟直到最后一個報文發(fā)送完畢,。
?。?）發(fā)送方發(fā)送最后一個報文完成后，發(fā)送數(shù)據(jù)部為空,、ACK=0x0001的報文提示數(shù)據(jù)傳輸完畢,，若此報文發(fā)送后收到重傳響應，則重發(fā)此數(shù)據(jù)報（ACK仍置0x0001）[10],。
2.3.2 定時器超時處理
若發(fā)送方定時器達到發(fā)送方超時等待時間仍未收到響應報文,，則重傳當前數(shù)據(jù)報（ACK置0x0011），連續(xù)超時三次還沒收到應答則停止發(fā)送數(shù)據(jù)報,，清空報文緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，并向應用程序返回通信失敗[11]。若接收方定時器達到接收方超時等待時間仍未收到報文,，清空報文緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，關閉定時器，并向上層應用程序返回通信失敗,。
3 結(jié)論
本文所設計的協(xié)議封裝串口通信是為了更方便和安全地傳送數(shù)據(jù),，從上文可以看到，在發(fā)送大數(shù)據(jù)報時,，串口的速度其實不高,，而本協(xié)議若需控制在毫秒級的處理，所發(fā)數(shù)據(jù)不能超過1 192 B,。報文長度字節(jié)AB范圍為0~65 535,，故每個報文大小為8 B~8 KB，數(shù)據(jù)部大小為0~8 184 B,，所以數(shù)據(jù)分割范圍為0~8 184 B[12],。故本協(xié)議更適用于小數(shù)據(jù)量傳送,，比如在信號采集后的數(shù)據(jù)傳送等，傳輸一個雙精度浮點數(shù)需要14 ms左右,。
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