單片機(jī)通信協(xié)議處理
現(xiàn)在大部分的儀器設(shè)備都要求能過通過上位機(jī)軟件來操作，這樣方便調(diào)試，利于操作。其中就涉及到通信的過程。在實(shí)際制作的幾個(gè)設(shè)備中，筆者總結(jié)出了通信程序的通用寫法，包括上位機(jī)端和下位機(jī)端等
1. 自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議
這里所說的數(shù)據(jù)協(xié)議是建立在物理層之上的通信數(shù)據(jù)包格式。所謂通信的物理層就是指我們通常所用到的RS232、RS485、紅外、光纖、無線等等通信方式。在這個(gè)層面上，底層軟件提供兩個(gè)基本的操作函數(shù)：發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)、接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)協(xié)議全部建立在這兩個(gè)操作方法之上。
通信中的數(shù)據(jù)往往以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳送的，我們把這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)包稱作為一幀數(shù)據(jù)。類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的TCPIP協(xié)議一般，比較可靠的通信協(xié)議往往包含有以下幾個(gè)組成部分：幀頭、地址信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)塊、校驗(yàn)碼、幀尾。
幀頭和幀尾用于數(shù)據(jù)包完整性的判別，通常選擇一定長度的固定字節(jié)組成，要求是在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈中判別數(shù)據(jù)包的誤碼率越低越好。減小固定字節(jié)數(shù)據(jù)的匹配機(jī)會(huì)，也就是說使幀頭和幀尾的特征字節(jié)在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈中能夠匹配的機(jī)會(huì)最小。通常有兩種做法，一、減小特征字節(jié)的匹配幾率。二、增加特征字節(jié)的長度。通常選取第一種方法的情況是整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路中的數(shù)據(jù)不具有隨即性，數(shù)據(jù)可預(yù)測(cè)，可以通過人為選擇幀頭和幀尾的特征字來避開，從而減小特征字節(jié)的匹配幾率。使用第二種方法的情況更加通用，適合于數(shù)據(jù)隨即的場(chǎng)合。通過增加特征字節(jié)的長度減小匹配幾率，雖然不能夠完全的避免匹配的情況，但可以使匹配幾率大大減小，如果碰到匹配的情況也可以由校驗(yàn)碼來進(jìn)行檢測(cè)，因此這種情況在絕大多說情況下比較可靠。
地址信息主要用于多機(jī)通信中，通過地址信息的不同來識(shí)別不同的通信終端。在一對(duì)多的通信系統(tǒng)中，可以只包含目的地址信息。同時(shí)包含源地址和目的地址則適用于多對(duì)多的通信系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)塊是主要的數(shù)據(jù)部分。數(shù)據(jù)類型可以標(biāo)識(shí)后面緊接著的是命令還是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度用于指示有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
校驗(yàn)碼則用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和正確性。通常對(duì)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)塊三個(gè)部分進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算得到。最簡(jiǎn)單的做法可是對(duì)數(shù)據(jù)段作累加和，復(fù)雜的也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC運(yùn)算等等，可以根據(jù)運(yùn)算速度、容錯(cuò)度等要求來選取。
2. 上位機(jī)和下位機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)送
物理通信層中提供了兩個(gè)基本的操作函數(shù)，發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)則為數(shù)據(jù)發(fā)送的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)包的發(fā)送即把數(shù)據(jù)包中的左右字節(jié)按照順序一個(gè)一個(gè)的發(fā)送數(shù)據(jù)而已。當(dāng)然發(fā)送的方法也有不同。
在單片機(jī)系統(tǒng)中，比較常用的方法是直接調(diào)用串口發(fā)送單個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)是需要處理器在發(fā)送過程中全程參與，優(yōu)點(diǎn)是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠立即的出現(xiàn)在通信線路上，能夠立即被接收端接收到。另外一種方法是采用中斷發(fā)送的方式，所有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)被送入一個(gè)緩沖區(qū)，利用發(fā)送中斷將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用處理器資源小，但是可能出現(xiàn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)不能立即被發(fā)送的情況，不過這種時(shí)延相當(dāng)?shù)男?。?duì)于51系列單片機(jī)，比較傾向于采用直接發(fā)送的方式，采用中斷發(fā)送的方式比較占用RAM資源，而且對(duì)比直接發(fā)送來說也沒有太多的優(yōu)點(diǎn)。以下是51系列單片機(jī)中發(fā)送單個(gè)字節(jié)的函數(shù)。
void SendByte(unsigned char ch)
{
SBUF = ch;
while(TI == 0);
TI = 0;
}
上位機(jī)中關(guān)于串口通信的方式也有多種，這種方式不是指數(shù)據(jù)有沒有緩沖的問題，而是操作串口的方式不同，因?yàn)镻C上數(shù)據(jù)發(fā)送基本上都會(huì)被緩沖后再發(fā)送。對(duì)于編程來說操作串口有三種方式，一、使用windows系統(tǒng)中自帶的串口通信控件，這種方式使用起來比較簡(jiǎn)單，需要注意的是接收時(shí)的阻塞處理和線程機(jī)制。二、使用系統(tǒng)的API直接進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取，在windows和linux系統(tǒng)中，設(shè)備被虛擬為文件，只需要利用系統(tǒng)提供的API函數(shù)即可進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和讀取。三、使用串口類進(jìn)行串口操作。在此只介紹windows環(huán)境下利用串口類編程的方式。
CSERialport是比較好用的串口類。它提供如下的串口操作方法：
void WriteToPort(char* string, int len);
串口初始化成功后，調(diào)用此函數(shù)即可向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。為了避免串口緩沖所帶來的延時(shí)，可以開啟串口的沖刷機(jī)制。
3. 下位機(jī)中的數(shù)據(jù)接收和協(xié)議解析
下位機(jī)接收數(shù)據(jù)也有兩種方式，一、等待接收，處理器一直查詢串口狀態(tài)，來判斷是否接收到數(shù)據(jù)。二、中斷接收。兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)在此前的一篇關(guān)于串口通信的文章中詳細(xì)討論過。得出的結(jié)論是采用中斷接收的方法比較好。
數(shù)據(jù)包的解析過程可以設(shè)置到不同的位置。如果協(xié)議比較簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)只是處理一些簡(jiǎn)單的命令，那么可以直接把數(shù)據(jù)包的解析過程放入到中斷處理函數(shù)中，當(dāng)收到正確的數(shù)據(jù)包的時(shí)候，置位相應(yīng)的標(biāo)志，在主程序中再對(duì)命令進(jìn)行處理。如果協(xié)議稍微復(fù)雜，比較好的方式是將接收的數(shù)據(jù)存放于緩沖區(qū)中，主程序讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析。也有兩種方式交叉使用的，比如一對(duì)多的系統(tǒng)中，首先在接收中斷中解析“連接”命令，連接命令接收到后主程序進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，采用查詢的方式來解析其余的協(xié)議。
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以下給出具體的實(shí)例。在這個(gè)系統(tǒng)中，串口的命令非常簡(jiǎn)單。所有的協(xié)議全部在串口中斷中進(jìn)行。數(shù)據(jù)包的格式如下：
0x55, 0xAA, 0x7E, 0x12, 0xF0, 0x02, 0x23, 0x45, SUM, XOR, 0x0D
其中0x55, 0xAA, 0x7E為數(shù)據(jù)幀的幀頭，0x0D為幀尾，0x12為設(shè)備的目的地址，0xF0為源地址，0x02為數(shù)據(jù)長度，后面接著兩個(gè)數(shù)據(jù)0x23, 0x45，從目的地址開始結(jié)算累加、異或校驗(yàn)和，到數(shù)據(jù)的最后一位結(jié)束。
協(xié)議解析的目的，首先判斷數(shù)據(jù)包的完整性，正確性，然后提取數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，存放起來用于主程序處理。代碼如下：
if(state_machine == 0) // 協(xié)議解析狀態(tài)機(jī)
{
if(rcvdat == 0x55) // 接收到幀頭第一個(gè)數(shù)據(jù)
state_machine = 1;
else
state_machine = 0; // 狀態(tài)機(jī)復(fù)位
}
else if(state_machine == 1)
{
if(rcvdat == 0xAA) // 接收到幀頭第二個(gè)數(shù)據(jù)
state_machine = 2;
else
state_machine = 0; // 狀態(tài)機(jī)復(fù)位
}
else if(state_machine == 2)
{
if(rcvdat == 0x7E) // 接收到幀頭第三個(gè)數(shù)據(jù)
state_machine = 3;
else
state_machine = 0; // 狀態(tài)機(jī)復(fù)位
}
else if(state_machine == 3)
{
sumchkm = rcvdat; // 開始計(jì)算累加、異或校驗(yàn)和
xorchkm = rcvdat;
if(rcvdat == m_SrcAdr) // 判斷目的地址是否正確
state_machine = 4;
else
state_machine = 0;
}
else if(state_machine == 4)
{
sumchkm += rcvdat;
xorchkm ^= rcvdat;
if(rcvdat == m_DstAdr) // 判斷源地址是否正確
state_machine = 5;
else
state_machine = 0;
}
else if(state_machine == 5)
{
lencnt = 0; // 接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器
rcvcount = rcvdat; // 接收數(shù)據(jù)長度
sumchkm += rcvdat;
xorchkm ^= rcvdat;
state_machine = 6;
}
else if(state _machine == 6 || state _machine == 7)
{
m_ucData[lencnt++] = rcvdat; // 數(shù)據(jù)保存
sumchkm += rcvdat;
xorchkm ^= rcvdat;
if(lencnt == rcvcount) // 判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢
state_machine = 8;
else
state_machine = 7;
}
else if(state_machine == 8)
{
if(sumchkm == rcvdat) // 判斷累加和是否相等
state_machine = 9;
else
state_machine = 0;
}
else if(state_machine == 9)
{
if(xorchkm == rcvdat) // 判斷異或校驗(yàn)和是否相等
state_machine = 10;
else
state_machine = 0;
}
else if(state_machine == 10)
{
if(0x0D == rcvdat) // 判斷是否接收到幀尾結(jié)束符
{
retval = 0xaa; // 置標(biāo)志，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包接收到
}
state_machine = 0; // 復(fù)位狀態(tài)機(jī)
}
此過程中，使用了一個(gè)變量state_machine作為協(xié)議狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，用于確定當(dāng)前字節(jié)處于一幀數(shù)據(jù)中的那個(gè)部位，同時(shí)在接收過程中自動(dòng)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和處理，在數(shù)據(jù)包接收完的同時(shí)也進(jìn)行了校驗(yàn)的比較。因此當(dāng)幀尾結(jié)束符接收到的時(shí)候，則表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，并且通過了校驗(yàn)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)也保存到了緩沖去中。主程序即可通過retval的標(biāo)志位來進(jìn)行協(xié)議的解析處理。
接收過程中，只要哪一步收到的數(shù)據(jù)不是預(yù)期值，則直接將狀態(tài)機(jī)復(fù)位，用于下一幀數(shù)據(jù)的判斷，因此系統(tǒng)出現(xiàn)狀態(tài)死鎖的情況非常少，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，如果出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)包的情況也可由上位機(jī)進(jìn)行命令的補(bǔ)發(fā)，不過這種情況筆者還沒有碰到。
對(duì)于主程序中進(jìn)行協(xié)議處理的過程與此類似，主程序循環(huán)中不斷的讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即參與到主循環(huán)中的協(xié)議處理過程中，代碼與上面所述完全一樣。
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4. 上位機(jī)中的數(shù)據(jù)接收和命令處理
上位機(jī)中數(shù)據(jù)接收的過程與下位機(jī)可以做到完全一致，不過針對(duì)不同的串口操作方法有所不同。對(duì)于阻賽式的串口讀函數(shù)，例如直接進(jìn)行API操作或者調(diào)用windows的串口通信控件，最好能夠開啟一個(gè)線程專門用于監(jiān)視串口的數(shù)據(jù)接收，每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)可以向系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)消息。筆者常用的CSerialPort類中就是這樣的處理過程。CSerialPort打開串口后開啟線程監(jiān)視串口的數(shù)據(jù)接收，將接收的數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)，并向父進(jìn)程發(fā)送接收數(shù)據(jù)的消息，數(shù)據(jù)將隨消息一起發(fā)送到父進(jìn)程。父進(jìn)程中開啟此消息的處理函數(shù)，從中獲取串口數(shù)據(jù)后就可以把以上的代碼拷貝過來使用。
CSerialPort向父類發(fā)送的消息號(hào)如下：
#define WM_COMM_RXCHAR WM_USER+7 // A character was received and placed in the input buffer.
因此需要手動(dòng)添加此消息的響應(yīng)函數(shù)：
afx_msg LONG OnCommunication(WPARAM ch, LPARAM port);
ON_MESSAGE(WM_COMM_RXCHAR, OnCommunication)
響應(yīng)函數(shù)的具體代碼如下：
LONG CWellInfoView::OnCommunication(WPARAM ch, LPARAM port)
{
int retval = 0;
rcvdat = (BYTE)ch;
if(state_machine == 0) // 協(xié)議解析狀態(tài)機(jī)
{
if(rcvdat == 0x55) // 接收到幀頭第一個(gè)數(shù)據(jù)
state_machine = 1;
else
state_machine = 0; // 狀態(tài)機(jī)復(fù)位
}
else if(state_machine == 1)
{
if(rcvdat == 0xAA) // 接收到幀頭第二個(gè)數(shù)據(jù)
state_machine = 2;
else
state_machine = 0; // 狀態(tài)機(jī)復(fù)位
......
5. 總結(jié)
以上給出的是通信系統(tǒng)運(yùn)作的基本雛形，雖然簡(jiǎn)單，但是可行。實(shí)際的通信系統(tǒng)中協(xié)議比這個(gè)要復(fù)雜，而且涉及到數(shù)據(jù)包響應(yīng)、命令錯(cuò)誤、延時(shí)等等一系列的問題，在這樣的一個(gè)基礎(chǔ)上可以克服這些困難并且實(shí)現(xiàn)出較為穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。
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