作者：宋兵躍，吳軍輝，黃斌

1 串行通信介紹

所謂串行通信，就是將數據分成一個個的二進制位（bit） ，然后通過一條線路或一個通信信道，按照規定的規程逐位依次進行傳輸，實現計算機與計算機或計算機與外部設備之間的通信（數據交換） 。串行通信因其占用硬件資源少、可大幅度降低通信線路的成本、簡化通信設備、應用靈活、易維護等諸多優點，在工業控制、電力通信、智能儀表等領域得到了廣泛應用［1 ］ 。

目前，有EIA2RS232 、EIA2RS485 、電流環、CAN 等串行通信方式。EIA2RS232 是全雙工的通信模式，可以保證短距離點對點的高速傳輸;EIA2RS485 可實現較長距離下的多點互聯通信;CAN 屬于現場總線的范疇，采用多主機制，改善了在集散控制系統下的主從通信模式［2 ］ 。隨著應用需求的復雜化，對串行通信的通信效率及性能的要求越來越高，所以如何制定一套切實可行、簡單易用，又能大幅度提高串行通信效率的通信協議，如何在PC 端、嵌入式系統端構建一個高效的串行數據處理的應用程序，是亟待解決的一大問題。

面向各個領域不同的應用需求，串行通信的網絡拓撲結構也多種多樣，如總線型、環型、星型等。本文以加油站信息管理系統為例，介紹串行通信協議的制定以及高效通信數據處理的實現。

2 串行通信協議的設計

2. 1 系統總體構架

加油站信息管理系統的結構如圖1 所示。本系統中，每臺加油機為一個應用節點（即圖中的控制點） ，通過半雙工RS485 總線連接至通信控制器。在該RS485 網絡中，通信控制器為主機（Master） ，各加油機為從機（Slave） ，構成一個主從通信的網絡架構。在多種串行接口標準中，RS485接口以其結構簡單、通信速率高、傳輸距離遠、使用的傳輸線較少、在長距離通信時比較經濟等諸多優點，在集散式控制裝置中得到了廣泛應用。RS485 采用差分電平傳輸，只需兩根信號線，可以方便地增加控制節點數目 。

通信控制器通過全雙工RS232總線與管理PC 機進行數據交互。RS232 總線為全雙工通信總線，為了保證實時性和高效性，管理PC 機和通信控制器這個層面的數據交互采用互為主機的通信方式，以此構成一個集散控制系統。

各個加油站信息管理系統中，控制點的數目可能較大，所以對數據通信的實時性提出了較高的要求。采用RS485總線作為底層通信接口。與點對點的通信方式相比，任何節點均能偵聽到總線上傳輸的任何數據，這對串行通信數據接收處理也提出了很高的要求。每一個網絡節點既要可靠、穩定地完成其自身的控制工作，又要準確、高效地在RS485 總線上接收到發送至本節點的通信數據幀。

2. 2 通信協議格式的定義

2. 2. 1 協議幀格式

（1） 主機下發數據幀格式

起始標志數據（5AH + A5 H） + 長度（從命令字開始到校驗和為止的字節數） + 命令字HIGH + 命令字LOW+ 機號+ 參數+ 1 字節校驗和（從命令字開始到校驗碼前一字節的邏輯異或和）

（2） 從機上傳數據幀格式

起始標志數據（9BH + B9 H） + 長度（從命令字開始到校驗和為止的字節數） + 命令字HIGH + 命令字LOW +機號+ 參數+ 1 字節校驗和（從命令字開始到校驗碼前一字節的邏輯異或和）

2. 2. 2 協議幀解釋

起始標志數據：采用一字節或多字節作為幀起始標志（該部分的字節定義應盡量與幀數據的其他部分完全不同） 。接收方在接收錯誤后，接收數據時總是先尋找幀頭。幀頭的排他性將有利于提高各通信節點的接收效率。

長度：應盡量采用短幀，以避免各種干擾因素對通信效率的影響?？筛鶕嶋H應用情況，在“長度”后增加“長度反碼”或“長度補碼”等校驗數據，對長度進行更為嚴格的校驗。

命令字：根據實際通信應用需求，可應用1～2 字節的通信命令字。

機號：所需接收方的地址識別號?？筛鶕嶋H應用需求進行修改，如增加源地址、目的地址等。

參數：應用數據。考慮到數據的安全性，可針對不同的應用對該部分的數據進行加密處理。

校驗和：數據校驗，可根據應用需求選擇不同的校驗方式 。

3 高效串行通信方式的實現

3. 1 通信控制器發送數據的處理機制

通信控制器的發送數據流程如圖2 所示。通信控制器首先判斷最高優先級的命令字是否需要發送。如果需要，則進入該命令字的發送流程;如果沒有，接著判斷次高優先級的命令字是否需要發送。如果需要則進入發送流程，根據命令字的優先級由高到低的順序依次判斷要發送的命令字。

當沒有通信數據命令字發送時，通信控制器會發送輪詢命令字。此外，在發送完一幀數據后，通信控制器會開啟接收超時定時器T2 ，如果通信控制器在超時時間內收到應答命令數據幀，則進入相應數據處理流程，同時關閉T2 。如果系統長時間未收到應答命令數據幀，則重新發送該命令字的數據，并記錄發送該命令字的次數。

當發送的命令字的幀超過10 次仍未收到相應應答命令，則視為該命令字和PC 機的通信失敗，把通信流程重新調整到輪詢命令字狀態下。

發送的代碼程序放到單片機的串行中斷服務程序中來處理 ，代碼如下：

3. 2 通信控制器接收數據的處理機制

在通信控制器的接收端，應保持串行中斷的優先級最高。這樣才能保證系統時刻可以和PC 處于通信的狀態。具體的處理機制如下：

①找到幀頭（本協議是2 個字節） 。找到第1 個幀頭，就把接收步驟的全部標志S 賦值1 ，把接收字節的內容放到接收數據緩沖區中。接著找第2 個幀頭，找到幀頭后把內容順序放到接收數據緩沖區中。繼續判斷命令字是不是協議中規定的合法命令字。如果是，再根據命令字所對應的長度來判斷該幀數據的合法性。因為在制定通信協議時就規定了特定命令字所對應的數據長度，這兩點約束條件就可以保證接收數據是合法的，從而提高了系統的穩定性 。如果命令字和其對應的長度值合法，則把S值賦值為3 ，進入下一步的數據處理步驟。

②在一幀數據接收開始時，開啟接收超時定時器。如果在超時時間內未收到一幀完整的數據，則視為本次通信流程失敗，重新初始化串行通信，等待下次通信。

③如果一幀數據完全接收正確并成功，則關閉接收定時器，停止響應串行中斷，以防止處理的過程中有新的接收數據影響有效數據的處理。處理完畢， 使能串行中斷，打開接收定時器， 清除接收步驟S 為0 ，根據處理過程中標志位的改變情況繼續和PC 進行相應的數據通信。通信控制器數據接收流程如圖3所示。

4 總結

本文設計了一套完整的通信協議，通信控制器的發送端始終處于通信狀態，能以很快的速度響應系統協議規定的命令字及其數據的發送。在通信控制器的接收端，采用逐字節處理的方式，通過設定全局變量來確定處理接收數據幀的步驟，細化了處理接收數據的過程，保證了數據高效、可靠的傳輸。本系統已經應用在上海寶鋼集團加油站信息管理系統中。實驗結果證明，按照此協議進行的通信數據準確，通信高效可靠，自適應能力強，具有在相關領域推廣的價值。

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