一種基于狀態(tài)機(jī)的串口通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為解決串口通信中的數(shù)據(jù)傳輸容易出錯(cuò)、可靠性差、安全性不高且容錯(cuò)能力低等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于狀態(tài)機(jī)的串口通信協(xié)議，并將此協(xié)議應(yīng)用到稱重儀表的上位機(jī)通信中。本文介紹了串口通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式以及其通信狀態(tài)機(jī)，并給出了協(xié)議實(shí)現(xiàn)的部分示例代碼及算法流程圖。在數(shù)據(jù)包格式定義中通過設(shè)置起始標(biāo)志、數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)、結(jié)束標(biāo)志等字段，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；并在數(shù)據(jù)包接收過程中引入狀態(tài)機(jī)方法，簡化編程模型的同時(shí)，提高了通信過程的可靠性、安全性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蒎e(cuò)能力。
關(guān)鍵詞：狀態(tài)機(jī)；串口；通信協(xié)議；ATmega168；線程

    串行通信接口(如RS232、RS485等)作為計(jì)算機(jī)與單片機(jī)交互數(shù)據(jù)的主要接口，廣泛用于各類儀器儀表、工業(yè)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制領(lǐng)域中。通信協(xié)議是需要通信的雙方所達(dá)成的一種約定，它對(duì)包括數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題作出統(tǒng)一規(guī)定，在雙方的通信中必須共同遵守。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，如果缺少一個(gè)嚴(yán)格、合理、規(guī)范的串口通信協(xié)議，將無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性及通信的可靠性。因此，文中提出一種基于狀態(tài)機(jī)串口通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方法：通過合理地設(shè)置數(shù)據(jù)包格式來保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性：引入了狀態(tài)機(jī)方法，簡化了協(xié)議的實(shí)現(xiàn)難度，提高了通信的可靠性，同時(shí)使通信過程具有較高的容錯(cuò)能力。

1 定義數(shù)據(jù)包格式
    串口通信中最小的的信息單元是數(shù)據(jù)幀。一個(gè)數(shù)據(jù)幀通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、結(jié)束位，另外還可以包含用于檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤的“奇偶校驗(yàn)位”，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位可以有5、6、7、8或9個(gè)。
    實(shí)際通信過程中，數(shù)據(jù)的發(fā)送是一幀一幀地進(jìn)行，當(dāng)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過一幀時(shí)(例如浮點(diǎn)型數(shù)據(jù))，如果沒有對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行必要的打包，發(fā)送出去的數(shù)據(jù)將會(huì)很難被數(shù)據(jù)接收方解釋與分析，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)傳輸混亂與錯(cuò)誤。因此，在一般應(yīng)用中有必要將數(shù)據(jù)幀組裝成數(shù)據(jù)包再發(fā)送。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，將數(shù)據(jù)包定義為如圖1所示。

    1)起始標(biāo)志表示開始接收一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，本協(xié)議中規(guī)定為0x55。
    2)數(shù)據(jù)長度命令和附加數(shù)據(jù)共占的字節(jié)數(shù)。設(shè)置此字段，可方便接收方識(shí)別數(shù)據(jù)包的長度并能夠準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)包。
    3)命令用來說明數(shù)據(jù)包的用途。
    4)附加數(shù)據(jù) 當(dāng)命令不同時(shí)，含義不同。例如，當(dāng)命令表示數(shù)據(jù)包的用途為質(zhì)量時(shí)，附加數(shù)據(jù)用來保存質(zhì)量數(shù)據(jù)。
    5)校驗(yàn)是對(duì)命令字段與附加數(shù)據(jù)字段的所有字節(jié)數(shù)據(jù)的異或校驗(yàn)。
    6)結(jié)束標(biāo)志表示該數(shù)據(jù)包結(jié)束，本協(xié)議中規(guī)定為0x56。
    另外，在多機(jī)通信中，數(shù)據(jù)包中還應(yīng)增加源地址與設(shè)備地址等字段。這里主要介紹上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，因此無需設(shè)置源地址與設(shè)備地址等字段。

2 通信狀態(tài)機(jī)
2．1 狀態(tài)機(jī)簡介
    狀態(tài)機(jī)由事物所處的狀態(tài)及引發(fā)狀態(tài)變化的外部事件兩部分組成。在軟件編程中，事物所處的狀態(tài)可以描述為某個(gè)程序片斷或函數(shù)，而引發(fā)狀態(tài)變化的處部條件可以理解為條件判斷語句，當(dāng)條件為真時(shí)，事物的狀態(tài)發(fā)生變化。事物發(fā)生變化前的狀態(tài)稱為現(xiàn)態(tài)，變化后的狀態(tài)稱為次態(tài)，程序中可以通過不同的數(shù)字對(duì)不同的狀態(tài)進(jìn)行編號(hào)?，F(xiàn)態(tài)到次態(tài)的變化可以通過狀態(tài)變量值的改變來描述。
    本協(xié)議中需要傳輸?shù)幕拘畔卧菙?shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包一般包含多個(gè)數(shù)據(jù)幀。實(shí)際傳輸過程中，數(shù)據(jù)的傳輸通常是一幀一幀地進(jìn)行，數(shù)據(jù)包是被拆分成若干幀數(shù)據(jù)后再進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)接受方也是分幀接受一個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)接受方在解釋與分析數(shù)據(jù)包時(shí)可能存在兩個(gè)問題：
    1)識(shí)別并接收完整的數(shù)據(jù)包
    對(duì)于數(shù)據(jù)接收方，一個(gè)數(shù)據(jù)包是分若干批到來，在識(shí)別包頭與包尾時(shí)，也就是幀同步問題，具體編程時(shí)存在難度，特別對(duì)于已接收部分與未接收部分以及數(shù)據(jù)接收的進(jìn)度及狀態(tài)的處理。
    2)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的容錯(cuò)能力
    數(shù)據(jù)傳輸過程中已經(jīng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具有擺脫錯(cuò)誤狀態(tài)，恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。例如，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包只傳輸完一部分時(shí)，因?yàn)槲粗收?，下一個(gè)數(shù)據(jù)包就開始傳輸，系統(tǒng)應(yīng)該能識(shí)別出傳輸錯(cuò)誤，拋棄前一個(gè)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包，并且能正確接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。實(shí)際編程時(shí)處理這種問題難度較大，結(jié)果很可能會(huì)出現(xiàn)將第一個(gè)數(shù)據(jù)包的前一部分與第二個(gè)數(shù)據(jù)包的前一部分拼裝成一個(gè)新的數(shù)據(jù)包的情況，這就損失了兩個(gè)數(shù)據(jù)包，最嚴(yán)重的結(jié)果可能是系統(tǒng)無法從錯(cuò)誤中恢復(fù)，這就嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的安全性與可靠性。
    為解決上面提出的兩個(gè)問題，本協(xié)議引入了狀態(tài)機(jī)。在狀態(tài)機(jī)中，狀態(tài)的變化依賴于外部觸發(fā)條件，當(dāng)條件滿足時(shí)，狀態(tài)將發(fā)生變化。本協(xié)議中將數(shù)據(jù)包接收的各個(gè)階段定義為不同的狀態(tài)，將接收一幀新的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)處理的結(jié)果作為外部觸發(fā)條件，從而達(dá)到狀態(tài)改變的目的，最終完成一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收與校驗(yàn)。
2．2 串口通信狀態(tài)圖
    串口通信協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)一般不需引入狀態(tài)機(jī)，這主要是為提高發(fā)送速率和簡化編程模型而考慮的。本協(xié)議中主要針對(duì)數(shù)據(jù)接收過程建立狀態(tài)機(jī)。數(shù)據(jù)接收狀態(tài)圖如圖2所示。

    串口通信的數(shù)據(jù)接收過程如下：當(dāng)未開始接收數(shù)據(jù)包或發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)；當(dāng)數(shù)接收到數(shù)據(jù)包0x55(起始標(biāo)志)時(shí)，變?yōu)槭盏狡鹗紭?biāo)志狀態(tài)，如果收到的數(shù)據(jù)不為0x55，系統(tǒng)繼續(xù)保持空閑狀態(tài)；進(jìn)入收到起始標(biāo)志狀態(tài)后，新接收到的任何數(shù)據(jù)將被當(dāng)作數(shù)據(jù)包中命令與附加數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)(記為LEN)，系統(tǒng)進(jìn)入收到數(shù)據(jù)長度狀態(tài)；繼續(xù)接收新的數(shù)據(jù)，直至接到新收到的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)達(dá)到LEN +2，進(jìn)入檢驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志狀態(tài)；這時(shí)可以檢驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志是否為0x56，如果是，說明傳輸正確，否則傳輸出錯(cuò)，出錯(cuò)后應(yīng)查找接收緩沖區(qū)中本數(shù)據(jù)包的起始標(biāo)志后有無其它起始標(biāo)志，如果沒有發(fā)現(xiàn)起始標(biāo)志，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)入空閑狀態(tài)，否則應(yīng)直接進(jìn)入接收到起始標(biāo)志狀態(tài)，這樣可提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力，方便系統(tǒng)從錯(cuò)誤中恢復(fù)。檢驗(yàn)結(jié)柬標(biāo)志正確后，進(jìn)入數(shù)據(jù)校驗(yàn)狀態(tài)；校驗(yàn)結(jié)果如果正確，數(shù)據(jù)包接收完成，否則說明傳輸出錯(cuò)，系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)。

3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)
    下位機(jī)采用ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)ATmega168作為其核心控制單元；上位機(jī)軟件采用Delphi 7．0編寫，Delphi 7．0是Borland公司開發(fā)的基于Windows平臺(tái)的面向?qū)ο蟮目焖賾?yīng)用程序開發(fā)工具。本協(xié)議上位機(jī)程序采用Delphi開發(fā)，主要考慮到Delphi易于實(shí)現(xiàn)多線程編程。另外，Delphi開發(fā)程序的簡單、高效，也是上位機(jī)軟件選擇其作為開發(fā)工具的重要原因。
    串口通信協(xié)議包括發(fā)送與接收兩部分。在本系統(tǒng)中，下位機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，而另一種情況：下位機(jī)接收、上位機(jī)發(fā)送，其處理方法與前面一種相似。因此，這里僅介紹下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、上位機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)。
    下位機(jī)串口通信發(fā)送程序由于不考慮狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)較為簡單，其示例代碼如下：
   
   
    上位機(jī)軟件中，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，串口控件會(huì)觸發(fā)一個(gè)事件，在事件處理代碼中應(yīng)及時(shí)將收到的數(shù)據(jù)存入接收沖區(qū)，同時(shí)不應(yīng)該把串口通信協(xié)議接收部分的代碼放置在此事件中，否則后面到來的數(shù)據(jù)可能因?yàn)榍懊嫦鹊降臄?shù)據(jù)沒有及時(shí)處理完畢而被沖掉，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，在上位機(jī)軟件運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該啟動(dòng)一個(gè)Windows線程，用于不斷檢測(cè)接收緩沖區(qū)是否為空，不為空時(shí)則對(duì)緩沖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，創(chuàng)建一個(gè)名為TBufferThread的線程類：
   
   
    線程類創(chuàng)建好后，應(yīng)具體編寫TBufferThread線程類成員函數(shù)Execute的處理過程，其算法流程圖如圖3所示。

    依據(jù)流程圖，編寫代碼如下：
   
   
   
    數(shù)據(jù)包的接收進(jìn)度依據(jù)于狀態(tài)指示變量sp。當(dāng)數(shù)據(jù)接收順利時(shí)，sp的變化將會(huì)引導(dǎo)完成一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收過程，這樣處理可以簡化編程的模型，使協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)包接收過程中，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)，立即將sp置為0(空閑狀態(tài))，也就是狀態(tài)復(fù)位，使系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，這樣可提高通信過程的可靠性及容錯(cuò)能力。

    為檢驗(yàn)測(cè)試串通信協(xié)議的合理性及可靠性，將其應(yīng)用到某稱重儀表的上位機(jī)通信中，其上位機(jī)程序主界面如圖4所示。程序主界面的點(diǎn)陣字體顯示的是由下位機(jī)傳送的質(zhì)量數(shù)據(jù)，而正中間顯示的是由下位機(jī)上傳的A／D數(shù)據(jù)形成的曲線，最下方顯示的是對(duì)接收的數(shù)據(jù)處理的狀態(tài)指示。經(jīng)過大量測(cè)試表明，本串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)合理，可靠性較高。

4 結(jié)論
    文中主要介紹串口通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其中包括數(shù)據(jù)包格式的定義、通信狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)以及協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，并將此協(xié)議應(yīng)用到某稱重儀表的上位機(jī)通信中。串口通信中引入狀態(tài)機(jī)方法，便于解決幀同步問題，使協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。因此，可廣泛用于各類儀器儀表、工業(yè)控制領(lǐng)域中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。