基于狀態(tài)機(jī)的串口通信協(xié)議的研究設(shè)計(jì)

串行通信接口(如RS232、RS485等)作為計(jì)算機(jī)與單片機(jī)交互數(shù)據(jù)的主要接口，廣泛用于各類(lèi)儀器儀表、工業(yè)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制領(lǐng)域中。通信協(xié)議是需要通信的雙方所達(dá)成的一種約定，它對(duì)包括數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問(wèn)題作出統(tǒng)一規(guī)定，在雙方的通信中必須共同遵守。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，如果缺少一個(gè)嚴(yán)格、合理、規(guī)范的串口通信協(xié)議，將無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性及通信的可靠性。因此，文中提出一種基于狀態(tài)機(jī)串口通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方法：通過(guò)合理地設(shè)置數(shù)據(jù)包格式來(lái)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性：引入了狀態(tài)機(jī)方法，簡(jiǎn)化了協(xié)議的實(shí)現(xiàn)難度，提高了通信的可靠性，同時(shí)使通信過(guò)程具有較高的容錯(cuò)能力。

1 定義數(shù)據(jù)包格式

串口通信中最小的的信息單元是數(shù)據(jù)幀。一個(gè)數(shù)據(jù)幀通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、結(jié)束位，另外還可以包含用于檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤的“奇偶校驗(yàn)位”，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位可以有5、6、7、8或9個(gè)。

實(shí)際通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)的發(fā)送是一幀一幀地進(jìn)行，當(dāng)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過(guò)一幀時(shí)(例如浮點(diǎn)型數(shù)據(jù))，如果沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行必要的打包，發(fā)送出去的數(shù)據(jù)將會(huì)很難被數(shù)據(jù)接收方解釋與分析，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)傳輸混亂與錯(cuò)誤。因此，在一般應(yīng)用中有必要將數(shù)據(jù)幀組裝成數(shù)據(jù)包再發(fā)送。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，將數(shù)據(jù)包定義為如圖1所示。

1)起始標(biāo)志表示開(kāi)始接收一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，本協(xié)議中規(guī)定為0x55。
2)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度命令和附加數(shù)據(jù)共占的字節(jié)數(shù)。設(shè)置此字段，可方便接收方識(shí)別數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度并能夠準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)包。
3)命令用來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)包的用途。
4)附加數(shù)據(jù) 當(dāng)命令不同時(shí)，含義不同。例如，當(dāng)命令表示數(shù)據(jù)包的用途為質(zhì)量時(shí)，附加數(shù)據(jù)用來(lái)保存質(zhì)量數(shù)據(jù)。
5)校驗(yàn)是對(duì)命令字段與附加數(shù)據(jù)字段的所有字節(jié)數(shù)據(jù)的異或校驗(yàn)。
6)結(jié)束標(biāo)志表示該數(shù)據(jù)包結(jié)束，本協(xié)議中規(guī)定為0x56。
另外，在多機(jī)通信中，數(shù)據(jù)包中還應(yīng)增加源地址與設(shè)備地址等字段。這里主要介紹上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，因此無(wú)需設(shè)置源地址與設(shè)備地址等字段。

2 通信狀態(tài)機(jī)

2．1 狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)介

狀態(tài)機(jī)由事物所處的狀態(tài)及引發(fā)狀態(tài)變化的外部事件兩部分組成。在軟件編程中，事物所處的狀態(tài)可以描述為某個(gè)程序片斷或函數(shù)，而引發(fā)狀態(tài)變化的處部條件可以理解為條件判斷語(yǔ)句，當(dāng)條件為真時(shí)，事物的狀態(tài)發(fā)生變化。事物發(fā)生變化前的狀態(tài)稱(chēng)為現(xiàn)態(tài)，變化后的狀態(tài)稱(chēng)為次態(tài)，程序中可以通過(guò)不同的數(shù)字對(duì)不同的狀態(tài)進(jìn)行編號(hào)?，F(xiàn)態(tài)到次態(tài)的變化可以通過(guò)狀態(tài)變量值的改變來(lái)描述。

本協(xié)議中需要傳輸?shù)幕拘畔卧菙?shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包一般包含多個(gè)數(shù)據(jù)幀。實(shí)際傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)的傳輸通常是一幀一幀地進(jìn)行，數(shù)據(jù)包是被拆分成若干幀數(shù)據(jù)后再進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)接受方也是分幀接受一個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)接受方在解釋與分析數(shù)據(jù)包時(shí)可能存在兩個(gè)問(wèn)題：

1)識(shí)別并接收完整的數(shù)據(jù)包

對(duì)于數(shù)據(jù)接收方，一個(gè)數(shù)據(jù)包是分若干批到來(lái)，在識(shí)別包頭與包尾時(shí)，也就是幀同步問(wèn)題，具體編程時(shí)存在難度，特別對(duì)于已接收部分與未接收部分以及數(shù)據(jù)接收的進(jìn)度及狀態(tài)的處理。

2)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的容錯(cuò)能力

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中已經(jīng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具有擺脫錯(cuò)誤狀態(tài)，恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。例如，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包只傳輸完一部分時(shí)，因?yàn)槲粗收?，下一個(gè)數(shù)據(jù)包就開(kāi)始傳輸，系統(tǒng)應(yīng)該能識(shí)別出傳輸錯(cuò)誤，拋棄前一個(gè)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包，并且能正確接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。實(shí)際編程時(shí)處理這種問(wèn)題難度較大，結(jié)果很可能會(huì)出現(xiàn)將第一個(gè)數(shù)據(jù)包的前一部分與第二個(gè)數(shù)據(jù)包的前一部分拼裝成一個(gè)新的數(shù)據(jù)包的情況，這就損失了兩個(gè)數(shù)據(jù)包，最嚴(yán)重的結(jié)果可能是系統(tǒng)無(wú)法從錯(cuò)誤中恢復(fù)，這就嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的安全性與可靠性。

為解決上面提出的兩個(gè)問(wèn)題，本協(xié)議引入了狀態(tài)機(jī)。在狀態(tài)機(jī)中，狀態(tài)的變化依賴(lài)于外部觸發(fā)條件，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，狀態(tài)將發(fā)生變化。本協(xié)議中將數(shù)據(jù)包接收的各個(gè)階段定義為不同的狀態(tài)，將接收一幀新的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)處理的結(jié)果作為外部觸發(fā)條件，從而達(dá)到狀態(tài)改變的目的，最終完成一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收與校驗(yàn)。

2．2 串口通信狀態(tài)圖

串口通信協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)一般不需引入狀態(tài)機(jī)，這主要是為提高發(fā)送速率和簡(jiǎn)化編程模型而考慮的。本協(xié)議中主要針對(duì)數(shù)據(jù)接收過(guò)程建立狀態(tài)機(jī)。數(shù)據(jù)接收狀態(tài)圖如圖2所示。