基于通信控制器实现高效串行数据处理系统的设计

作者：宋兵跃，吴军辉，黄斌

1 串行通信介绍

所谓串行通信，就是将数据分成一个个的二进制位（bit） ，然后通过一条线路或一个通信信道，按照规定的规程逐位依次进行传输，实现计算机与计算机或计算机与外部设备之间的通信（数据交换） 。串行通信因其占用硬件资源少、可大幅度降低通信线路的成本、简化通信设备、应用灵活、易维护等诸多优点，在工业控制、电力通信、智能仪表等领域得到了广泛应用［1 ］ 。

目前，有EIA2RS232 、EIA2RS485 、电流环、CAN 等串行通信方式。EIA2RS232 是全双工的通信模式，可以保证短距离点对点的高速传输;EIA2RS485 可实现较长距离下的多点互联通信;CAN 属于现场总线的范畴，采用多主机制，改善了在集散控制系统下的主从通信模式［2 ］ 。随着应用需求的复杂化，对串行通信的通信效率及性能的要求越来越高，所以如何制定一套切实可行、简单易用，又能大幅度提高串行通信效率的通信协议，如何在PC 端、嵌入式系统端构建一个高效的串行数据处理的应用程序，是亟待解决的一大问题。

面向各个领域不同的应用需求，串行通信的网络拓扑结构也多种多样，如总线型、环型、星型等。本文以加油站信息管理系统为例，介绍串行通信协议的制定以及高效通信数据处理的实现。

2 串行通信协议的设计

2. 1 系统总体构架

加油站信息管理系统的结构如图1 所示。本系统中，每台加油机为一个应用节点（即图中的控制点） ，通过半双工RS485 总线连接至通信控制器。在该RS485 网络中，通信控制器为主机（Master） ，各加油机为从机（Slave） ，构成一个主从通信的网络架构。在多种串行接口标准中，RS485接口以其结构简单、通信速率高、传输距离远、使用的传输线较少、在长距离通信时比较经济等诸多优点，在集散式控制装置中得到了广泛应用。RS485 采用差分电平传输，只需两根信号线，可以方便地增加控制节点数目 。

通信控制器通过全双工RS232总线与管理PC 机进行数据交互。RS232 总线为全双工通信总线，为了保证实时性和高效性，管理PC 机和通信控制器这个层面的数据交互采用互为主机的通信方式，以此构成一个集散控制系统。

各个加油站信息管理系统中，控制点的数目可能较大，所以对数据通信的实时性提出了较高的要求。采用RS485总线作为底层通信接口。与点对点的通信方式相比，任何节点均能侦听到总线上传输的任何数据，这对串行通信数据接收处理也提出了很高的要求。每一个网络节点既要可靠、稳定地完成其自身的控制工作，又要准确、高效地在RS485 总线上接收到发送至本节点的通信数据帧。

2. 2 通信协议格式的定义

2. 2. 1 协议帧格式

（1） 主机下发数据帧格式

起始标志数据（5AH + A5 H） + 长度（从命令字开始到校验和为止的字节数） + 命令字HIGH + 命令字LOW+ 机号+ 参数+ 1 字节校验和（从命令字开始到校验码前一字节的逻辑异或和）

（2） 从机上传数据帧格式

起始标志数据（9BH + B9 H） + 长度（从命令字开始到校验和为止的字节数） + 命令字HIGH + 命令字LOW +机号+ 参数+ 1 字节校验和（从命令字开始到校验码前一字节的逻辑异或和）

2. 2. 2 协议帧解释

起始标志数据：采用一字节或多字节作为帧起始标志（该部分的字节定义应尽量与帧数据的其他部分完全不同） 。接收方在接收错误后，接收数据时总是先寻找帧头。帧头的排他性将有利于提高各通信节点的接收效率。

长度：应尽量采用短帧，以避免各种干扰因素对通信效率的影响。可根据实际应用情况，在“长度”后增加“长度反码”或“长度补码”等校验数据，对长度进行更为严格的校验。

命令字：根据实际通信应用需求，可应用1～2 字节的通信命令字。

机号：所需接收方的地址识别号。可根据实际应用需求进行修改，如增加源地址、目的地址等。

参数：应用数据。考虑到数据的安全性，可针对不同的应用对该部分的数据进行加密处理。

校验和：数据校验，可根据应用需求选择不同的校验方式 。

3 高效串行通信方式的实现

3. 1 通信控制器发送数据的处理机制

通信控制器的发送数据流程如图2 所示。通信控制器首先判断最高优先级的命令字是否需要发送。如果需要，则进入该命令字的发送流程;如果没有，接着判断次高优先级的命令字是否需要发送。如果需要则进入发送流程，根据命令字的优先级由高到低的顺序依次判断要发送的命令字。

当没有通信数据命令字发送时，通信控制器会发送轮询命令字。此外，在发送完一帧数据后，通信控制器会开启接收超时定时器T2 ，如果通信控制器在超时时间内收到应答命令数据帧，则进入相应数据处理流程，同时关闭T2 。如果系统长时间未收到应答命令数据帧，则重新发送该命令字的数据，并记录发送该命令字的次数。

当发送的命令字的帧超过10 次仍未收到相应应答命令，则视为该命令字和PC 机的通信失败，把通信流程重新调整到轮询命令字状态下。

发送的代码程序放到单片机的串行中断服务程序中来处理 ，代码如下：

3. 2 通信控制器接收数据的处理机制

在通信控制器的接收端，应保持串行中断的优先级最高。这样才能保证系统时刻可以和PC 处于通信的状态。具体的处理机制如下：

①找到帧头（本协议是2 个字节） 。找到第1 个帧头，就把接收步骤的全部标志S 赋值1 ，把接收字节的内容放到接收数据缓冲区中。接着找第2 个帧头，找到帧头后把内容顺序放到接收数据缓冲区中。继续判断命令字是不是协议中规定的合法命令字。如果是，再根据命令字所对应的长度来判断该帧数据的合法性。因为在制定通信协议时就规定了特定命令字所对应的数据长度，这两点约束条件就可以保证接收数据是合法的，从而提高了系统的稳定性 。如果命令字和其对应的长度值合法，则把S值赋值为3 ，进入下一步的数据处理步骤。

②在一帧数据接收开始时，开启接收超时定时器。如果在超时时间内未收到一帧完整的数据，则视为本次通信流程失败，重新初始化串行通信，等待下次通信。

③如果一帧数据完全接收正确并成功，则关闭接收定时器，停止响应串行中断，以防止处理的过程中有新的接收数据影响有效数据的处理。处理完毕， 使能串行中断，打开接收定时器， 清除接收步骤S 为0 ，根据处理过程中标志位的改变情况继续和PC 进行相应的数据通信。通信控制器数据接收流程如图3所示。

4 总结

本文设计了一套完整的通信协议，通信控制器的发送端始终处于通信状态，能以很快的速度响应系统协议规定的命令字及其数据的发送。在通信控制器的接收端，采用逐字节处理的方式，通过设定全局变量来确定处理接收数据帧的步骤，细化了处理接收数据的过程，保证了数据高效、可靠的传输。本系统已经应用在上海宝钢集团加油站信息管理系统中。实验结果证明，按照此协议进行的通信数据准确，通信高效可靠，自适应能力强，具有在相关领域推广的价值。

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