摘 要： 為了提高串口數據通信的準確率、方便上層應用編程，設計了一個協議對串口數據通信協議進行封裝。協議采用自定義報文格式封裝串口數據幀的方式工作，利用報文應答機制保證傳輸正確性，該協議在線路故障出現時能有效檢測并采取報文重發等措施保證數據準確傳輸。
關鍵詞： 串口；通信協議；數據報；數據傳輸
0 引言
串口通信協議是計算機上非常通用的一種設備通信協議，串口按位（bit）發送和接收字節，可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據[1]。利用串口進行數據傳輸時，串口能做到奇偶校驗以確定數據是否傳輸正確，然而在實際的上位機和下位機的通信中，往往傳輸以字節為單位的數據，這樣僅奇偶校驗數據位并不能達到正確傳輸數據的目的[2]，因此需要建立在串口之上的數據交換規則，即封裝串口通信的協議[3]。本文設計的就是一種用數據報封裝了串口數據通信的協議，它能有效檢測線路狀態并處理丟包等問題。它不僅能實現PC之間的數據傳輸，還可用于嵌入式設備的數據通信。
1 協議分層結構
為了使協議程序的設計更為合理，并且利于在各硬件系統使用，將此協議進行分層設計。由于串口通信的性質，無需過多采用面向連接來建立虛電路，因此本協議采用無連接服務[4]。協議體系結構如圖1所示。
2 協議的設計
本文提出的協議的設計思想是數據報的傳輸方式，即將上層應用提供的流式數據分割并格式化為一個個的數據報，再發送給串口進行串行傳輸。接收方從串口接收到的數據報經過重新拼接形成數據流再送給上層應用。為保證串行傳輸，每個數據報的傳輸中采取發送—應答—重傳—失敗的方式工作。協議工作前需要設置超時等待時間、數據分割長度、串口參數等參數[5-6]。
2.1 數據報格式
數據報分為報文頭部和數據部兩部分，其格式如圖2所示。報文頭部由6字節組成，第1、2字節AB表示報文長度，即報文頭部長度加上數據部長度；第3、4字節CD表示整個報文的校驗和；第5、6字節XX表示應答ACK；第7、8字節GH表示報文序號。
數據報長度AB范圍為0~65 535，所以一個報文最大為8 KB。數據部長度等于報文長度（AB）減去報文頭長度（8 B）。
2.2 數據處理與報文處理
數據處理包括分割上層應用提供的數據，以及從報文還原拼接數據；報文處理包括格式化報文以提供給串口發送以及從串口讀取報文、校驗報文、提取數據[7]。
2.2.1 數據分割
協議從應用程序接口獲取應用程序提供的數據并以流式數據寫入發送方數據緩沖區；然后以事先設定的數據分割長度取數據，長度不足的部分則全部取出，取數據指針移動相應距離。
2.2.2 報文組裝
報文的組裝過程如下[8]：
?。?）計算取出數據的長度，填入報文第1、2字節；
?。?）報文第3~6字節全部置0；
?。?）計算報文序號GH；
（4）計算校驗和，從第1字節開始，每兩個字節為一個單元進行分割，末尾不足兩字節則在其后補0，再將這些單元進行二進制反碼求和，結果存在檢驗和字段中第3、4字節；
?。?）將取出的數據接在報文頭部后面，將整個報文寫入報文緩沖區。
2.2.3 報文拆分
報文拆分的具體步驟如下[9]：
?。?）從報文緩沖區按報文長度獲取報文數據；
?。?）計算校驗和，方法同報文組裝里的計算方法：如果校驗和不為0xFFFF，則傳輸過程中發生差錯，丟棄此報文；如果校驗和為0xFFFF，取出報文長度及報文序號，計算數據部長度，取出數據[9]。
2.2.4 數據拼接
將從報文取出的數據填入接收方數據緩沖區，寫數據指針移動相應距離；接收完最后一個數據后，協議將數據緩沖區中的數據提供給上層應用程序，寫數據指針恢復初始值。
2.3 數據報傳輸過程
數據報傳輸情況分為考慮定時器超時和不考慮定時器超時兩種，定時器超時處理應屬于中斷調用。
2.3.1 傳輸過程
數據報傳輸過程如下[10]：
?。?）在進行數據報傳輸前，發送方將數據分割并裝進報文，ACK置為0x0000，計算報文序號，再將報文送入報文緩沖區。
?。?）開始發送時，串口按已經設定的工作方式和波特率工作，從報文緩沖區獲取報文數據并發送。
（3）發送方發送完畢一個數據報后，停止發送，啟動定時器計時，準備接收響應。
?。?）接收方串口接收數據并填入報文緩沖區。
?。?）接收方從報文緩沖區獲取報文數據，進行校驗：
①若接收方校驗結果為正確，則取出數據；若接收的ACK=0x0011并且收到的序號等于前面一個報文的序號，則將數據覆蓋到前一塊數據，否則將數據填入數據緩沖區；記錄報文序號，發送數據部為空、ACK=0x1111的報文。
?、谌艚邮辗叫ｒ灲Y果為錯誤，則丟棄數據報，發送數據部為空、ACK=0x1110的報文，通知發送方重發。
?。?）接收方每次處理完數據報均初始化并啟動定時器計時，剛收到數據報時關閉定時器。
?。?）發送方收到響應報文，校驗通過則關閉定時器，獲取ACK，若ACK=0x1111，則發送下一個數據報；若ACK=0x1110，則重發當前數據報（ACK置0x0011）。如果校驗不通過就丟棄此數據報，仍保持定時器計時。
（8）雙方重復以上步驟直到最后一個報文發送完畢。
?。?）發送方發送最后一個報文完成后，發送數據部為空、ACK=0x0001的報文提示數據傳輸完畢，若此報文發送后收到重傳響應，則重發此數據報（ACK仍置0x0001）[10]。
2.3.2 定時器超時處理
若發送方定時器達到發送方超時等待時間仍未收到響應報文，則重傳當前數據報（ACK置0x0011），連續超時三次還沒收到應答則停止發送數據報，清空報文緩沖區和數據緩沖區，并向應用程序返回通信失敗[11]。若接收方定時器達到接收方超時等待時間仍未收到報文，清空報文緩沖區和數據緩沖區，關閉定時器，并向上層應用程序返回通信失敗。
3 結論
本文所設計的協議封裝串口通信是為了更方便和安全地傳送數據，從上文可以看到，在發送大數據報時，串口的速度其實不高，而本協議若需控制在毫秒級的處理，所發數據不能超過1 192 B。報文長度字節AB范圍為0~65 535，故每個報文大小為8 B~8 KB，數據部大小為0~8 184 B，所以數據分割范圍為0~8 184 B[12]。故本協議更適用于小數據量傳送，比如在信號采集后的數據傳送等，傳輸一個雙精度浮點數需要14 ms左右。
參考文獻
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