嵌入式環境下串行幀通信的設計與實現

摘要：在嵌入式環境下，因設備間通信距離較遠，多采用串行通信方式，但許多串行通信協議只適用于協議設計時的應用系統環境，不具有通用性，且有些協議存在通信失敗的風險。通過分析設備間的通信需求，設計了一種分層的串行幀通信協議，該協議簡單可靠，能適應多種系統環境。在嵌入式Linux系統環境下，該協議在實際應用系統中運行穩定。
關鍵詞：串行通信；協議設計；嵌入式Linux系統；應用層；鏈路層

嵌入式系統之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。并行方式傳輸數據速度快，但占用的通信線多，傳輸數據的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數據傳送。在遠距離數據通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線少、成本低等優點。目前RS 232串口是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口，它應用于點對點通信模式，實際使用中多采用最簡單的三線方式連接，即兩端設備的串口只連接收、發、地三根線，即可實現簡單的全雙工通信。通信協議是兩端設備數據交換的語言，是通信可靠性的保證，在保證功能的前提下，通信協議應該力求簡潔。

1 系統通信需求
本系統主要完成野外環境下時間間隔測量和瞬態數據采集的功能，系統內各模塊均選用三星公司的S3C2440芯片為處理器，操作系統使用嵌入式Linux。模塊間通信的主要任務為控制命令的下發與應答、工作狀態和采集數據的上報等，對通信的可靠性要求較高，無數據加密需求。
根據系統軟硬件情況設定串口工作參數如下：115 200波特率，8位數據位，1位停止位，奇校驗、無流控。波特率的設置需要綜合考慮所選用芯片的串口性能、串口連接線長度、傳輸數據的最大幀長和應用過程中的誤碼率等；無流控則是由于串口使用三線方式連接。

2 通信協議的分層結構
為保證不同設備之間通信協議的通用性，降低實現的復雜度，將通信協議為分上下兩層：上層為應用層，規范了設備間應用程序通信使用的應用層數據格式；下層為鏈路層，提供物理線路數據的發送與接收，應用層數據拆分與合并、封裝與解封裝以及錯誤檢測功能。協議應用層部分根據各設備功能的不同使用不同的數據格式，而鏈路層部分則完全通用。應用層通信過程如圖1所示。

發方設備按照約定的應用層數據格式構造應用層數據，交由鏈路層進行數據的拆分、封裝、校驗，再將生成的數據以數據幀的形式發送至物理線路；收方設備則從物理線路上接收數據，進行幀定位、解封裝、錯誤檢測、數據合并等，最后將應用層數據上交給應用層處理。收發方設備的應用層可根據用戶需求的變化，不斷修改應用層數據格式，并利用鏈路層提供的功能接口完成通信功能，故該通信協議設計的關鍵在于鏈路層，以下著重闡述鏈路層的設計與實現。

3 鏈路層設計
鏈路層主要包含以下功能：數據拆分與合并、數據封裝與解封裝、數據幀的發送和接收以及錯誤檢測與重發機制。
3．1 數據拆分與合并
數據拆分即是把過長的應用層數據分成幾部分，用多幀數據幀發送，接收端收到后再進行數據合并，上交給應用層處理。過長的應用層數據如果不進行拆分，可能導致數據幀超出設計的緩沖區大小，也可能造成發送時間太長導致超時錯誤。這個長度需要根據實際需求合理設置，當數據幀傳輸出現錯誤時，這幀數據就需要重新傳輸，長度太大將造成較大開銷；長度太小，封裝時產生的開銷字節所占比例又太高，影響傳輸效率。
3．2 數據封裝與解封裝
數據封裝即是以一定格式把拆分后的應用層數據加上功能指示、數據長度等字段，以便對方收到后知道如何處理。數據封裝格式及功能指示字段含義如表1，表2所示。