地面測量設(shè)備串口通信的數(shù)據(jù)處理方法

馬基賢，王 偉

（1.天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300458；2.中鐵建大橋局電氣化工程有限公司，天津 300000）

航天領(lǐng)域，航天器等設(shè)備研制過程中試驗及存放環(huán)境等需要各類地面測量設(shè)備支持保障，完成試驗過程監(jiān)測及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等。涉及溫濕度、壓力壓差、氣體成分、位置信息、電量、輸入輸出控制等各類參數(shù)。而在遠程控制、測試測量等應(yīng)用中，溫濕度傳感器、壓力壓差傳感器、氣體流量/組分傳感器、定位模塊、電量模塊、稱重模塊、IO控制模塊等大部分測試測量設(shè)備都支持串口通信。串口通信（Serial Communication），是指外設(shè)和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線等，按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式。[1]串口是一種接口標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定接口插件電纜以及使用的協(xié)議[1]。地面測量設(shè)備的串口通信應(yīng)用主要有支持串口通信的測試測量設(shè)備應(yīng)用與具備串口通信功能的測控設(shè)備研制。本文針對常用串口通信協(xié)議，歸納分類并相應(yīng)給出數(shù)據(jù)處理流程。

1 通信協(xié)議

不同的廠家、不同的設(shè)備類型，通信協(xié)議各有不同。常用的通信協(xié)議有MODBUS協(xié)議、導(dǎo)航設(shè)備的NMEA協(xié)議、廠家自定義協(xié)議。

1.1 MODBUS協(xié)議

MODBUS是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。MODBUS已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto），并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式[2]。MODBUS通信協(xié)議分為兩種串行通信模式，ASCII 和RTU通信模式[3]。協(xié)議組成為：起始位、設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)、校驗位、結(jié)束符。

1.2 NMEA協(xié)議

NMEA0183是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。NMEA0183協(xié)議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，我們稱之為幀[4]。

幀格式為$aaccc，ddd，ddd，?，ddd*hh（CR）（LF），詳細定義如下：

（1）“$”：幀命令起始位；

（2）“aaccc”：地址域，前兩位為識別符（aa），后三位為語句名（ccc）；

（3）“ddd，ddd”：數(shù)據(jù)內(nèi)容；

（4）“*”：校驗和前綴（也可以作為語句數(shù)據(jù)結(jié)束的標(biāo)志）；

（5）“hh”：校驗和（check sum），$與*之間所有字符 ASCII 碼的校驗和（各字 節(jié)做異或運算，得到校驗和后，再轉(zhuǎn)換 16 進制格式的 ASCII 字符）；

（6）“（CR）（LF）”：幀結(jié)束，回車和換行符。

1.3 小結(jié)

MODBUS協(xié)議、NMEA協(xié)議以及廠家自定義協(xié)議。歸納總結(jié)，主要有連續(xù)方式和指令方式兩種[5]。

連續(xù)方式：指主機不需要發(fā)布命令，從機就能自動地向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

指令方式：指主機向從機發(fā)布命令，從機根據(jù)指令執(zhí)行動作，并將結(jié)果“應(yīng)答”給主機的模式。

其中指令方式又包括一問一答和一問多答兩種形式。

導(dǎo)航設(shè)備通常采用連續(xù)方式，建立連接后，數(shù)據(jù)信息即可連續(xù)上傳。傳感器和控制設(shè)備通常采用指令方式，通過讀寫指令查詢數(shù)據(jù)、控制設(shè)備。自定義協(xié)議通常數(shù)據(jù)內(nèi)容固定、單一的監(jiān)測設(shè)備采用連續(xù)方式；而數(shù)據(jù)內(nèi)容較多、頻率需求不固定并包含指令設(shè)置的測控設(shè)備采用指令方式。

2 數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)包處理。為保證數(shù)據(jù)完整有效的解析，不同的協(xié)議，數(shù)據(jù)處理方法也有所不同。

2.1 連續(xù)方式

連續(xù)方式數(shù)據(jù)處理由于通信延時、中斷等原因，數(shù)據(jù)端口會出現(xiàn)數(shù)據(jù)長度不夠一幀或者超出一幀的情況。因此主要考慮數(shù)據(jù)讀寫速度匹配性及數(shù)據(jù)包粘包/半包的問題。根據(jù)通信數(shù)據(jù)長度分定長和變長兩種。

定長數(shù)據(jù)處理根據(jù)端口數(shù)據(jù)長度控制數(shù)據(jù)讀取速度，端口數(shù)據(jù)不夠一幀長度時循環(huán)等待，大于等于一幀長度時全部讀回。先將上次的斷幀數(shù)據(jù)與本次的數(shù)據(jù)連接，再通過查找?guī)^并讀取固定長度數(shù)據(jù)的方式拆包，取出完整數(shù)據(jù)包，并保存剩余斷幀數(shù)據(jù)，通過“幀頭+固定長度”的方式解決粘包/半包的問題。具體流程如圖1所示。

圖1 定長數(shù)據(jù)處理流程

變長數(shù)據(jù)處理根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率（循環(huán)周期）控制數(shù)據(jù)讀取速度，定時循環(huán)將端口數(shù)據(jù)全部讀回，前提是端口數(shù)據(jù)長度大于零。讀取后對數(shù)據(jù)尾部先進行幀尾判斷，若是幀尾，即為完整數(shù)據(jù)；若不是幀尾，將斷幀數(shù)據(jù)截取保存。數(shù)據(jù)不為空時，再將上次的斷幀數(shù)據(jù)與本次的數(shù)據(jù)連接，完成解析處理。通過“幀頭+幀尾”的方式拆包解決粘包/半包的問題。具體流程如圖2所示。

圖2 變長數(shù)據(jù)處理流程

定長數(shù)據(jù)讀取速度根據(jù)端口數(shù)據(jù)長度控制，有數(shù)即讀。但考慮線程資源，通常設(shè)定50-100ms循環(huán)周期。保證資源有效分配。

上述兩種方法針對數(shù)據(jù)堵塞時處理結(jié)果略有不同，定長數(shù)據(jù)處理方式將擁堵數(shù)據(jù)讀回快速循環(huán)處理，最大程度保證數(shù)據(jù)完整性；變長數(shù)據(jù)處理方式將擁堵數(shù)據(jù)讀回只讀取一幀處理，人為造成少量數(shù)據(jù)丟失，但此種方式對數(shù)據(jù)相對時間整齊，對無時間標(biāo)志的數(shù)據(jù)存儲較為友好。

2.2 指令方式

指令方式的數(shù)據(jù)處理方法相對連續(xù)方式，簡單很多。建立連接后，根據(jù)測量/控制周期發(fā)送指令，等待接收數(shù)據(jù)，不超時，格式檢驗成功后解析數(shù)據(jù)；超時或校驗不成功時，等待進入下次循環(huán)。一問一答和一問多答兩種情況相似。一問一答時，發(fā)一條收一條即可；一問多答時，發(fā)一條后，循環(huán)讀取多條指令，直至判別為“結(jié)束指令”判斷即可再發(fā)送下一條指令。另有些設(shè)備自帶接口函數(shù)，直接調(diào)用其讀寫函數(shù)即可。

圖3 一問多答處理流程

2.3 數(shù)據(jù)包處理

數(shù)據(jù)包處理通常根據(jù)協(xié)議內(nèi)容格式處理。協(xié)議內(nèi)容通常有固定位置定義和指定字符索引兩種。固定位置定義以MODBUS RTU為例，起始位（1個字節(jié)）+設(shè)備地址（1個字節(jié)）+功能代碼（1個字節(jié)）+長度（4個字節(jié)）……+校驗碼（2個字節(jié)）+結(jié)束符（1個字節(jié)），將數(shù)據(jù)包格式化成數(shù)組，索引相應(yīng)位置字段即可。指定字符索引以NEMA協(xié)議為例，$aaccc，ddd，ddd，，，，ddd*hh（CR）（LF），需要根據(jù)地址域字符找到所需的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)分隔符拆分字段，再根據(jù)字段定義解析。

2.4 程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常串口類設(shè)備通信速度在秒級，針對單臺設(shè)備的讀數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理程序結(jié)構(gòu)一般采用上述流程圖順序執(zhí)行即可。

針對多臺設(shè)備連接數(shù)據(jù)處理或者程序數(shù)據(jù)量較大時，建議采用并行結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理分線程并行處理。推薦采用生產(chǎn)者-消費者模式。

圖4 生產(chǎn)消費模式

3 結(jié)束語

本文針對常用串口通信協(xié)議，歸納分類并相應(yīng)給出數(shù)據(jù)處理流程。成功應(yīng)用于航天員人體代謝模擬、航天器儲運包裝箱測控系統(tǒng)等測控軟件編制。其中采用定長數(shù)據(jù)處理流程完成某固定長度的電量監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)處理，采用變長數(shù)據(jù)處理流程完成北斗定位、GPS定位模塊數(shù)據(jù)處理，采用一問一答式數(shù)據(jù)處理流程完成稱重、流量、氣體組分等測量設(shè)備數(shù)據(jù)處理及空調(diào)設(shè)備控制、IO設(shè)備控制，采用一問多答式數(shù)據(jù)處理流程完成某電源歷史數(shù)據(jù)協(xié)議制定及數(shù)據(jù)處理。上述處理方法可根據(jù)實際組合變體使用，對同類串口通信數(shù)據(jù)處理、串口協(xié)議制定具有參考意義。