基于５１單片機的串行通信協議的實現

曾增烽　劉　浩　李　雪

[摘要]首先分析數據通信協議數據包的一般格式,然后采用有限狀態機的算法實現單片機與上位機之間的串行通信協議,包含上下位機的數據發送接受和協議的解析實現,并給出具體的實現方法。

[關鍵詞]51單片機串口通信協議上位機下位機

中圖分類號:TN91文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710022-01

一、引言

數據協議是建立在物理層之上的通信數據包格式。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。在這個層面上,底層軟件提供兩個基本的操作函數:發送一個字節數據、接收一個字節數據。所有的數據協議全部建立在這兩個操作方法之上。通信中的數據往往以數據包的形式進行傳送的,我們把這樣的一個數據包稱作為一幀數據。類似于網絡通信中的TCP/IP協議一般,比較可靠的通信協議往往包含有以下幾個組成部分:幀頭、地址信息、數據類型、數據長度、數據塊、校驗碼、幀尾[1][2]。現在大部分的儀器設備都要求能過通過上位機軟件來操作,這樣方便調試,利于操作。其中就涉及到通信的過程,本文給出了串行通信協議的具體實現,總結出了通信程序的通用寫法,包括上位機端和下位機端等。

二、上位機和下位機中的數據發送

物理通信層中提供了兩個基本的操作函數,發送一個字節數據則為數據發送的基礎。數據包的發送即把數據包中的左右字節按照順序一個一個的發送[3]。在單片機系統中,比較常用的方法是直接調用串口發送單個字節數據的函數。另外一種方法是采用中斷發送的方式,所有需要發送的數據被送入一個緩沖區,利用發送中斷將緩沖區中的數據發送出去[4]。對于51系列單片機,比較傾向于采用直接發送的方式,采用中斷發送的方式比較占用RAM資源,而且對比直接發送來說也沒有太多的優點。以下是51系列單片機中發送單個字節的函數[5]。

void SendByte(unsigned char ch){

SBUF = ch;

while(TI ==0);TI = 0;

}

上位機中關于串口通信的方式也有多種,這種方式不是指數據有沒有緩沖的問題,而是操作串口的方式不同,因為PC上數據發送基本上都會被緩沖后再發送。對于編程來說操作串口有三種方式:1.使用windows系統中自帶的串口通信控件,這種方式使用起來比較簡單,需要注意的是接收時的阻塞處理和線程機制。2.使用系統的API直接進行串口數據的讀取,在windows和linux系統中,設備被虛擬為文件,只需要利用系統提供的API函數即可進行串口數據的發送和讀取。3.使用串口類進行串口操作。在此只介紹windows環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,調用此函數即可向串口發送數據。為了避免串口緩沖所帶來的延時,可以開啟串口的沖刷機制。

三、下位機中的數據接收和協議解析

下位機接收數據也有兩種方式:1.等待接收,處理器一直查詢串口狀態,來判斷是否接收到數據。2.中斷接收。如果協議比較簡單,整個系統只是處理一些簡單的命令,那么可以直接把數據包的解析過程放入到中斷處理函數中,當收到正確的數據包的時候,置位相應的標志,在主程序中再對命令進行處理[6]。以下給出具體的實例。在這個系統中,串口的命令非常簡單。所有的協議全部在串口中斷中進行。數據包的格式如下:

0x55, 0xAA, 0x7E, 0x12, 0xF0, 0x02, 0x23, 0x45, SUM, XOR, 0x0D

其中0x55,0xAA,0x7E為數據幀的幀頭,0x0D為幀尾,0x12為設備的目的地址,0xF0為源地址,0x02為數據長度,后面接著兩個數據0x23,0x45,從目的地址開始結算累加、異或校驗和,到數據的最后一位結束。協議解析的目的,首先判斷數據包的完整性,正確性,然后提取數據類型,數據等數據,存放起來用于主程序處理。

此過程中,使用了一個變量state_machine作為有限協議狀態機的轉換狀態,用于確定當前字節處于一幀數據中的那個部位,同時在接收過程中自動對接收數據進行校驗和處理,在數據包接收完的同時也進行了校驗的比較。因此當幀尾結束符接收到的時候,則表示一幀數據已經接收完畢,并且通過了校驗,關鍵數據也保存到了緩沖去中。主程序即可通過retval的標志位來進行協議的解析處理。接收過程中,只要哪一步收到的數據不是預期值,則直接將狀態機復位,用于下一幀數據的判斷,因此系統出現狀態死鎖的情況非常少,系統比較穩定,如果出現丟失數據包的情況也可由上位機進行命令的補發。對于主程序中進行協議處理的過程與此類似,主程序循環中不斷的讀取串口緩沖區的數據,此數據即參與到主循環中的協議處理過程中。

四、上位機中的數據接收和命令處理

上位機中數據接收的過程與下位機可以做到完全一致,不過針對不同的串口操作方法有所不同。對于阻塞式的串口讀函數,例如直接進行API操作或者調用windows的串口通信控件,最好能夠開啟一個線程專門用于監視串口的數據接收,每接收到一個數據可以向系統發送一個消息。CSerialPo

Rt打開串口后開啟線程監視串口的數據接收,將接收的數據保存到緩沖區,并向父進程發送接收數據的消息,數據將隨消息一起發送到父進程。父進程中開啟此消息的處理函數,從中獲取串口數據后就可以進行數據接收和命令處理。

五、總結

本文給出的是串口通信系統的基本雛形,雖然簡單,但是可行。實際的通信系統中協議比這個要復雜,而且涉及到數據包響應、命令錯誤、延時等等一系列的問題,在這樣的一個基礎上可以克服這些困難并且實現出較為穩定可靠的系統。在實際系統中,問題會出現在任何地方,有些特別的問題需要特別的方法才能解決。如何實現一個強壯的通信系統還需要繼續深入的研究。

參考文獻:

[1]J.Satran,"Internet Protocol Small Computer System Interface (iSCSI) Cyclic Redundancy.Check (CRC)/Checksum Considerations",RFC 3385,2002.

[2]ITU-T V.41,"Code-independent error-control system",1989.

[3]郭梯云,數據傳輸(修訂本)[M].人民郵電出版社,1998.

[4]顧上杰、薛質,計算機通信網基礎[M].電子工業出版,2005.7.

[5]丁元杰,單片微機原理及應用[M].機械工業出版社,2003.7.

[6]馮博鑒,計算機原理與接口應用技術[M].清華大學出版社,2004.8.