嵌人式环境下串行帧通信的设计与实现

图１应用层通信过程
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
４链ห้องสมุดไป่ตู้层实现
链路层采用Ｃ¨语言实现∽８｜，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３Ｎ示。
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图２应用层数据发送流程图 图３应用层数据接收流程图
Ｓ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 装在一个类中嘲，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口…。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。
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。
关键词：串行通信；协议设计；嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统；应用层；链路层
中圈分类号：ＴＮｇｌｌ一３４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—３７３Ｘ（２０１０）２３—００６０—０３
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｒｉａｌ Ｆｒａｍｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
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。
链路层主要包含以下功能：数据拆分与合并、数据 封装与锯封装、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
参考文献
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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 ￥３Ｃ２４４０芯片为处理器，操作系统使用嵌入式Ｌｉｎｕｘ。 模块问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：
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嵌人式环境下串行帧通信的设计与实现
陈 乐，唐 波，卢 力
（国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙４１００７３）
摘 要：在嵌入式环境下，因设备同通信距离较远，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
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万方数据
收稿日期：２０１０—０７—０８ ６０
万方数据
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。
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１ ７７一】８０．
作者简介：陈 乐 男，１９８３年出生，江西樟树人，硕士生，实习研究员。主要研究方向为图形图像处理与信息可视化。 ’７０７０，０７妇ｂ，７０，ｏ，、）’ｅ’，７ｊ７０，，，，７０７０’０７０７０’ｏ，ｏ’ｏ’ｏ’０７０，ｏ，ｏ，０７０７々，０７０，０７０，ｏ，ｏ’ｏ’ｅ＿，Ｃ７０’ｏ’ｏ’ｏ，０７０７０，ｏ＇ｏ’ｏ，’７
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。
在链路帧发送前，应使用ＣＲＣｌ６算法对封装数据 进行校验，校验多项式为ｚ¨＋ｚ１２＋ｚ５＋１，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：
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｓｙｓｔｅｍ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ；ｌｉｎｋ ｌａｙｅｒ
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 串行通信方式口］，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ｏ］。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。
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。
表１数据封装格式
裹２功能指示字段含义
万方数据
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∞４］，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哺］，经简化后，实现起来也并 不复杂，描述如下：
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．ＣＨＥＮ Ｌｅ．ＴＡＮＧ Ｂｏ，ＬＵ Ｌｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇ洒ｅｅ“ｎｇｔ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ＆ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｍａｎｙ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅｙ ｄｏ ｎｏｔ ｈａｖｅ ｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅｍ ｍａｙ ｇｅｔ ｒｉｓｋ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ａ ｌａｙｅｒｅｄ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏ— ｔｏｃｏｌ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｗｅｌｌ ｉｎ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｓｙｓｔｅｍ．