，，

(海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033)

在現(xiàn)代艦船導(dǎo)航裝備中異步串口通信應(yīng)用非常廣泛。異步串口通信協(xié)議規(guī)定了一系列特定的參數(shù)，通信中收發(fā)雙方必須采用一致的通信參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸[1]。然而在艦艇裝備的導(dǎo)航設(shè)備中部分存在裝備信息掌握不完全，通信參數(shù)不明確的情況，這給裝備的解析和正常使用帶來了困難。由于波特率、數(shù)據(jù)位長度、校驗(yàn)方式、停止位長度以及數(shù)據(jù)編碼方式的多樣化，現(xiàn)行導(dǎo)航設(shè)備常用的通信參數(shù)組合達(dá)上千種[2]。若采用人工窮舉檢測的方法速度慢，效率低，需要大量數(shù)據(jù)的支持。所以迫切需要應(yīng)用能夠自動、迅速、高效地檢測通信參數(shù)的分析方法。

1 算法背景

異步串口通信是以字符幀為基本單位傳送數(shù)據(jù)信息的，協(xié)議規(guī)定了字符幀被傳送的波特率與字符幀的格式，見圖1。

圖1 字符幀被傳遞的波特率與字符幀的格式

字符幀按一定的波特率被傳送，波特率是單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)，單位為“bit/s”。每個字符幀以一個比特低電平的起始位開始，緊接著是5～8位比特長度的數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位后面可以有一比特的校驗(yàn)位也可以沒有，最后是1～2位比特長度的停止位[3]。字符幀與字符幀之間可以有任意長度的空閑位。

要徹底解析異步串口通信協(xié)議就要確定波特率、數(shù)據(jù)位長度、校驗(yàn)方式、停止位長度以及數(shù)據(jù)編碼方式,其協(xié)議參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)航系統(tǒng)常用異步串口通信協(xié)議參數(shù)

基于對未知的異步串口通信電平進(jìn)行的采樣，把采樣數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。通過PC機(jī)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,達(dá)到檢測協(xié)議參數(shù)的目的。

2 協(xié)議參數(shù)檢測算法

在波特率、數(shù)據(jù)位長度、校驗(yàn)方式、停止位長度和數(shù)據(jù)編碼方式5個參數(shù)中，由于停止位電平與空閑位相連且電平一致，故停止位與空閑位的界限并不明顯。所以在停止位大于1 bit的情況下仍然可以把停止位視為1 bit，把其余視為空閑位，并不影響數(shù)據(jù)接收[4]。所以參數(shù)檢測的關(guān)鍵在于對另外4個參數(shù)的分析。

2.1 波特率檢測

在存在采樣誤碼且誤碼率未知的條件下，同電位電平的最短持續(xù)時(shí)間并不一定是波特率時(shí)間TBR[5]。如圖2所示，誤碼的存在使得采用檢測同電位電平的最短持續(xù)時(shí)間的方法檢測波特率遇到了障礙。

圖2 存在誤碼的電平采樣示意

考慮到誤碼因素，提出用統(tǒng)計(jì)受檢數(shù)據(jù)單個低電平平均持續(xù)時(shí)間的方法檢測波特率的方法。假設(shè)傳送的數(shù)據(jù)是隨機(jī)信號，先假設(shè)無誤碼的情況，低電平每隔TBR發(fā)生跳變的概率是1/2。低電平持續(xù)時(shí)間l的概率pl的取值見圖3。

圖3 低電平持續(xù)時(shí)間長度與概率取值示意

設(shè)有一段包含k個字符幀的受檢電平，字符幀誤碼率為e。誤碼以等概率發(fā)生在高低電平中，故誤碼不影響低電平總時(shí)間，每個誤碼使低電平個數(shù)增1。由于一個字符幀內(nèi)停止位只出現(xiàn)一次，對電平跳變概率影響很小。若經(jīng)統(tǒng)計(jì)受檢電平中低電平個數(shù)為m，故低電平總時(shí)間可認(rèn)為為2m，在一個字符幀隨機(jī)信號中高低電平的概率相等，故字符幀內(nèi)電平(不包括空閑位電平)總時(shí)間可認(rèn)為為4m。若只計(jì)1位停止位在字符幀內(nèi)，則一個字符幀長度在7～11個TBR之間，故k和m的關(guān)系可表述為：7k<4m<11k。故存在誤碼的單個低電平持續(xù)時(shí)間期望：Etl=2m/(m+k×e)。

考慮到實(shí)際情況下,一個字符幀的長度一般在7～11 bit之間(只計(jì)1位停止位在字符幀內(nèi))故而：14/(7+4e)

2.2 數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位長度檢測

數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位長度是指一字符幀數(shù)據(jù)中除起始位和停止位以外的數(shù)據(jù)長度。對數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位長度的檢測是用已檢測出的波特率構(gòu)造數(shù)據(jù)位長度n不同的標(biāo)準(zhǔn)采樣匹配模板，分別對受檢電平采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊匹配，并計(jì)算每種模板的隸屬度un，確定n值。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)采樣匹配模板

本文提出的標(biāo)準(zhǔn)采樣匹配模板見圖4，是停止位只取1 bit的一個字符幀長度模擬采樣模板，只擁有字符幀中起始位和停止位的模擬采樣值，而n位數(shù)據(jù)位的值被忽略。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)采樣匹配模板示意

2.2.2 低電平等待的模糊匹配

在異步串口通信中，字符幀之間存在長度不定的空閑位高電平。本文提出一種低電平等待模糊匹配(見圖5)算法消除空閑位的影響。

圖5 一次低電平等待匹配示意

步驟1。受檢電平采樣數(shù)據(jù)的低電平第一個采樣點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)采樣匹配模板的起始位以第一個模擬采樣點(diǎn)對準(zhǔn)，依次匹配它們同位置的采樣值，至標(biāo)準(zhǔn)采樣匹配模板停止位的最后一個模擬采樣值。

步驟2。等待受檢數(shù)據(jù)電平后續(xù)尚未參與匹配的采樣低電平出現(xiàn)，重復(fù)步驟1，直至所有受檢電平匹配完為止。

步驟3。計(jì)算隸屬度un，使un最大的n值就是受檢電平的數(shù)據(jù)信息位長度。

2.2.3 隸屬度計(jì)算

隸屬度定義為

(1)

式中：xi，si——參加匹配受檢電平與標(biāo)準(zhǔn)模板電平對應(yīng)采樣點(diǎn)采樣值；

m——參加匹配的采樣點(diǎn)總數(shù)；

n——數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位長度，n=5、6、7、8、9。

2.3 校驗(yàn)方式檢測

低電平等待模糊匹配算法檢測出受檢電平數(shù)據(jù)每個字符幀的起始位和停止位后，可以把所有的起始位和停止位剝離開，對剩余數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的校驗(yàn)方式。由于由低電平等待模糊匹配算法檢測的開始若干個字符幀的起始位和停止位為止并不準(zhǔn)確，為了提高校驗(yàn)方式檢測的準(zhǔn)確度，應(yīng)該丟棄開頭若干字取出的數(shù)據(jù)再進(jìn)行校驗(yàn)方式檢測。為了盡可能提高留下數(shù)據(jù)的正確率，假設(shè)導(dǎo)致un<1的失配電平全部產(chǎn)生于開始的不準(zhǔn)確匹配導(dǎo)致的停止位失配，則丟棄的字符幀數(shù)為

r=pf×N(1-un)

(2)

式中：N——受檢電平總字符幀數(shù)；

pf——隨機(jī)匹配下停止位失配概率，pf=1/2。

對字符幀校驗(yàn)方式的判斷依據(jù)如下。

1)若每字符幀數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位中1的個數(shù)總為偶數(shù)，則為偶校驗(yàn)。

2)若每字符幀數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位中1的個數(shù)總為奇數(shù)，則為奇校驗(yàn)。

3)若每字符幀數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位的最后一位總為1，則為高校驗(yàn)。

4)若每字符幀數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位的最后一位總為0，則為低校驗(yàn)。

5)若無以上特征，則無校驗(yàn)位。

2.4 基于最小錯誤率Bayes決策的數(shù)據(jù)編碼方式檢測

導(dǎo)航系統(tǒng)異步串口通信數(shù)據(jù)編碼方式可分為16進(jìn)制數(shù)和ASCⅡ碼兩種，其中所傳輸?shù)腁SCⅡ碼均為可見字符，即ASCⅡ碼表中的32號至127號字符。檢測數(shù)據(jù)編碼即檢測受檢數(shù)據(jù)值是否屬于[32,127]。本文依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量用Bayes決策計(jì)算出后驗(yàn)概率得出數(shù)據(jù)編碼方式判據(jù)。

假設(shè)w1表示一字符數(shù)據(jù)為ASCⅡ碼，w2表示一字符數(shù)據(jù)為16進(jìn)制數(shù)；q為異步串口通信誤碼率；p為一字符數(shù)據(jù)即可以被譯為ASCⅡ碼的概率。設(shè)事件X:n個受檢字符中，有k個字符可被譯為ASCⅡ碼。則在w1和w2條件下事件x發(fā)生的前驗(yàn)概率為

(3)

根據(jù)Bayes公式，得出后驗(yàn)概率

p(wi|x)=p(x|wi)p(wi)/

(4)

3 算法實(shí)際應(yīng)用

把本文提出的檢測算法用C++ Builder編寫成檢測軟件[6]，試驗(yàn)該算法的實(shí)用性。例如從串口調(diào)試助手軟件發(fā)送一段波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、偶校驗(yàn)的異步串口通信電平模擬受檢電平，經(jīng)采樣和傳輸，用所編寫的檢測軟件檢測結(jié)果見圖6。

圖6 智能檢測算法檢測結(jié)果

圖6表明協(xié)議參數(shù)分析結(jié)果完全符合實(shí)際。其它改變協(xié)議參數(shù)的實(shí)驗(yàn)也得到了同樣的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文所提出的導(dǎo)航系統(tǒng)異步串口通信協(xié)議參數(shù)智能檢測算法能夠自動檢測波特率范圍從150～19 200 bit/s的常用串口電平的所有參數(shù)。大量實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有運(yùn)算時(shí)間復(fù)雜度低，結(jié)果準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，基本可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)出結(jié)果，比起現(xiàn)行的人工分析的方法具有很大的優(yōu)越性。

[1] 馮懷迪，周亞軍.通信協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程，2009,26(11):91-93.

[2] 陳永冰，傅 軍，陳 浩.等.導(dǎo)航系統(tǒng)接口技術(shù)[M].武漢:海軍工程大學(xué)出版社，2010.

[3] 周永余，李文魁.艦船組合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展評述[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2003,11(1):67-72.

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[6] 李幼儀，甘 志.C++ Builder高級應(yīng)用開發(fā)指南[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.