嵌入式环境下串行帧通信的设计 嵌入式, 点对点, 可靠性, 全双工, 通信

Bazinga

嵌入式系统之间的通信通常有两种方式：并行通信和串行通信。并行方式传输数据速度快，但占用的通信线多，传输数据的可靠性随距离的增加而下降，只适用于近距离的数据传送。在远距离数据通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信线少、成本低等优点。目前RS 232串口是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，它应用于点对点通信模式，实际使用中多采用最简单的三线方式连接，即两端设备的串口只连接收、发、地三根线，即可实现简单的全双工通信。通信协议是两端设备数据交换的语言，是通信可靠性的保证，在保证功能的前提下，通信协议应该力求简洁。
在嵌入式环境下，因设备间通信距离较远，多采用串行通信方式，但许多串行通信协议只适用于协议设计时的应用系统环境，不具有通用性，且有些协议存在通信失败的风险。通过分析设备间的通信需求，设计了一种分层的串行帧通信协议，该协议简单可靠，能适应多种系统环境。在嵌入式Linux系统环境下，该协议在实际应用系统中运行稳定。
1 系统通信需求
本系统主要完成野外环境下时间间隔测量和瞬态数据采集的功能，系统内各模块均选用三星公司的S3C2440芯片为处理器，操作系统使用嵌入式Linux。模块间通信的主要任务为控制命令的下发与应答、工作状态和采集数据的上报等，对通信的可靠性要求较高，无数据加密需求。
根据系统软硬件情况设定串口工作参数如下：115 200波特率，8位数据位，1位停止位，奇校验、无流控。波特率的设置需要综合考虑所选用芯片的串口性能、串口连接线长度、传输数据的最大帧长和应用过程中的误码率等;无流控则是由于串口使用三线方式连接。
2 通信协议的分层结构
为保证不同设备之间通信协议的通用性，降低实现的复杂度，将通信协议为分上下两层：上层为应用层，规范了设备间应用程序通信使用的应用层数据格式;下层为链路层，提供物理线路数据的发送与接收，应用层数据拆分与合并、封装与解封装以及错误检测功能。协议应用层部分根据各设备功能的不同使用不同的数据格式，而链路层部分则完全通用。应用层通信过程如图1所示。

发方设备按照约定的应用层数据格式构造应用层数据，交由链路层进行数据的拆分、封装、校验，再将生成的数据以数据帧的形式发送至物理线路;收方设备则从物理线路上接收数据，进行帧定位、解封装、错误检测、数据合并等，最后将应用层数据上交给应用层处理。收发方设备的应用层可根据用户需求的变化，不断修改应用层数据格式，并利用链路层提供的功能接口完成通信功能，故该通信协议设计的关键在于链路层，以下着重阐述链路层的设计与实现。
3 链路层设计
链路层主要包含以下功能：数据拆分与合并、数据封装与解封装、数据帧的发送和接收以及错误检测与重发机制。
3.1 数据拆分与合并
数据拆分即是把过长的应用层数据分成几部分，用多帧数据帧发送，接收端收到后再进行数据合并，上交给应用层处理。过长的应用层数据如果不进行拆分，可能导致数据帧超出设计的缓冲区大小，也可能造成发送时间太长导致超时错误。这个长度需要根据实际需求合理设置，当数据帧传输出现错误时，这帧数据就需要重新传输，长度太大将造成较大开销;长度太小，封装时产生的开销字节所占比例又太高，影响传输效率。
3.2 数据封装与解封装
数据封装即是以一定格式把拆分后的应用层数据加上功能指示、数据长度等字段，以便对方收到后知道如何处理。数据封装格式及功能指示字段含义如表1，表2所示。

3.3 帧发送与接收
链路层以帧为单位进行数据收发，一种普遍的界定帧起始与结束的方法是：在待发送数据的头部和尾部加入特殊的起始码和结束码，如果在数据中出现了这个码型，就必须在数据发送前进行转义处理，把它转换成其他码型，否则将导致帧定位错误，数据通信失败。很多协议实现者为求实现简单没有进行这种转义，存在通信失败的风险，其实在点对点协议(PPP协议)中的描述了一种转义处理方法，经简化后，实现起来也并不复杂，描述如下：
数据发送方在帧首处发送0x7E作为起始码，逐字节发送封装后的数据，遇到0x7E时，发送0x7D，0x5E字节序列，遇到0x7D时，发送0x7 D，0x5D字节序列，最后在帧尾处发送0x7E作为结束码;
数据接收方在串口数据流中搜索第一个0x7E作为帧起始(连续的0x7E则以最后一个为帧起始)，逐字节接收数据，遇到0x7D时，跳过不处理，而把该字节的后一个字节加上0x20，直到遇到0x7E认为帧结束。
在链路帧发送前，应使用CRC16算法对封装数据进行校验，校验多项式为，校验值写入校验字段中;在链路帧接收后，先对其进行校验，如果检验成功再进行数据解封装处理，如果校验失败则按照下述重发机制进行重发。
3.4 错误检测与重发机制
综合考虑协议实现的简单性和数据收发的可靠性，决定采用停等协议进行数据收发，过程如下：
发送方发送一帧数据帧后，设置一个最长等待时间，等待接收对方的确认帧或拒绝帧，若收到确认帧则发送下一帧;若收到拒绝帧或者在超时时间内未收到确认帧或拒绝帧，则重发当前帧，因等待超时而重发的帧要设置超时指示位。当连续收到拒绝帧三次或连续超时重发三次，则认为对端不可达，取消当前帧的发送，上报错误给应用层。
接收方收到数据帧后，当超时指示位为0时，如果校验正确，则发送确认帧，并处理此帧，如果校验错误，则发送拒绝帧，不处理该帧;当超时指示位为1时，说明对方未正确收到确认帧或拒绝帧，如果上次非重发帧的校验结果是正确的，则该帧实际上已经处理过，直接发送确认帧即可;如果上次非重发帧的校验结果是错误的，则根据校验结果正常处理该帧。
4 链路层实现
链路层采用C++语言实现，以便于代码在各模块程序中复用。应用层数据发送和接收流程如图2，图3所示。

5 结语
链路层的作用是可靠地把应用层数据发送到对端设备，但如果仅仅是这样，应用程序使用起来并不是很方便，如果使用面向对象编程的方法，把链路层代码封装在一个类中，向应用程序提供一些较为简单的功能接口，如发送数据，接收数据，检测对端是否可达等，就可以很好地解决易用性问题。另外当数据发送失败时，应当以返回值或事件方式通知应用程序，当有应用层数据需要处理时，最好以回调函数或事件方式激活应用层处理程序，以避免应用程序低效的循环检测。通过在协议设计和协议实现两个方面同时进行优化，该协议在实际应用过程中表现出极好的可靠性和一定的通用性，可供参考借鉴。