沙亞雄，徐駿善

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和我國數(shù)字化景區(qū)建設(shè)步伐的加快，電子票務(wù)管理系統(tǒng)已成為智慧景區(qū)建設(shè)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)景區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理、樹立良好形象必不可少設(shè)備和管理手段。閘機(jī)作為票務(wù)管理系統(tǒng)的重要終端，其主要功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢票、管理人流、規(guī)范行人出入、上傳檢票信息[1]。

本文所應(yīng)用的景區(qū)閘機(jī)為翼閘，如圖1，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)有二維碼讀寫器、IC卡讀寫器、身份證讀寫器、通行算法控制板、機(jī)芯控制板和通信主控板。其中通信主控板對(duì)上通過RS485串口與PC機(jī)通信，對(duì)下通過RS232串口與二維碼讀寫器、IC卡讀寫器、身份證讀寫器、機(jī)芯控制板通信。無論是RS485還是RS232都屬于異步串行通信方式，所以有必要設(shè)計(jì)一套簡單、高效、安全、復(fù)用性強(qiáng)的通信協(xié)議，以保證設(shè)備之間信息的穩(wěn)定交互。

圖1 翼閘內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

1 通信幀設(shè)計(jì)

眾所周知，串口通信接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都是面向字節(jié)的，但一個(gè)字節(jié)的信息量和可靠性顯然不能達(dá)到設(shè)備之間通信的要求。故串口通信通常都是面向幀的，即以多個(gè)字節(jié)組成一幀來傳遞信息。幀的設(shè)計(jì)比較自由靈活，一般根據(jù)具體的通信方式、實(shí)時(shí)性及可靠性要求等進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。本文從結(jié)構(gòu)和類型對(duì)通信幀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通信幀結(jié)構(gòu)如下：

1) 幀頭：表示幀的開始，一般選用固定的1個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)。

2) 報(bào)頭開始：表示幀中報(bào)頭的開始，一般選用固定的1個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)。

3) 報(bào)頭：表示幀中報(bào)頭的內(nèi)容，報(bào)頭內(nèi)容可自定義、放地址碼、幀類型、幀長度等，其內(nèi)容不宜過多。

4) 報(bào)文開始：表示幀中報(bào)文的開始，一般選用固定的1個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)。

5) 報(bào)文：表示幀中報(bào)文的內(nèi)容、報(bào)文內(nèi)容可自定義，放命令碼、參數(shù)等，是通信中數(shù)據(jù)的載體。

6) 幀尾：表示幀的結(jié)束，一般選用固定的1字節(jié)或多字節(jié)。

7) 校驗(yàn)碼：數(shù)據(jù)校驗(yàn)，在此選擇BCC校驗(yàn)方式，即報(bào)頭內(nèi)容和報(bào)文內(nèi)容依次異或。

圖2列出3種通信幀結(jié)構(gòu)，其中標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)擁有報(bào)頭和報(bào)文，也有無報(bào)文結(jié)構(gòu)和無報(bào)頭結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要選定。

圖2 通信幀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 類型設(shè)計(jì)

考慮到翼閘使用了半雙工的RS485和全雙工的RS232串行通信方式，故設(shè)計(jì)2種類型的通訊幀，即控制幀和數(shù)據(jù)幀，其中控制幀主要用于對(duì)通訊流程進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)幀則用于傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)幀頭等固定字節(jié)均選用對(duì)應(yīng)含義ASCII碼，為避免報(bào)頭或報(bào)文中出現(xiàn)此類選定的ASCII碼，在此采用轉(zhuǎn)義字符的方式，即若報(bào)頭或報(bào)文中出現(xiàn)DLE(0X10)，則需要在其前面加上一個(gè)DLE轉(zhuǎn)義字符，校驗(yàn)時(shí)只計(jì)入一個(gè)DLE字符?？刂茙褂妙l率較高，信息量小，應(yīng)盡量短小，故在此選擇無報(bào)文結(jié)構(gòu)的幀。且報(bào)頭內(nèi)容固定為3個(gè)字節(jié)：地址碼、類型碼、指令碼。地址碼用于表示此幀的接收對(duì)象；類型碼用于表示幀的類型，在此即控制幀和數(shù)據(jù)幀；指令碼則是表示此控制幀的功能。

控制幀格式為：

ACK 表示校驗(yàn)通過，收到正確的幀；

NAK 表示校驗(yàn)未通過，收到錯(cuò)誤幀或接收超時(shí)；

ENQ 請(qǐng)求建立通信，發(fā)送數(shù)據(jù)；

XON 設(shè)備空閑，可以接收數(shù)據(jù)；

XOFF 設(shè)備繁忙，暫停接收數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀格式為：

2 通信實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)形緩沖區(qū)和隊(duì)列

環(huán)形緩沖區(qū)是嵌入式系統(tǒng)中十分重要的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在串行通訊中發(fā)送方將環(huán)形緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)逐一取出通過串行接口發(fā)送出去，而接收方接收后方可將收到的數(shù)據(jù)依次置入環(huán)形緩沖區(qū)中，待檢測(cè)到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀后再進(jìn)行處理。環(huán)形緩沖區(qū)是一個(gè)先進(jìn)先出(first in first out，F(xiàn)IFO)的隊(duì)列，數(shù)據(jù)只能從尾部添加，從頭部獲取。其在內(nèi)存中占用一塊連續(xù)的地址空間，通常用一個(gè)數(shù)組來定義[2]。

若要對(duì)一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，用一個(gè)結(jié)構(gòu)體是非常適合的，若將此結(jié)構(gòu)體作為鏈表的數(shù)據(jù)域，再將鏈表組織為隊(duì)列的形式，則使得串口接收發(fā)送數(shù)據(jù)幀變得簡單。接收數(shù)據(jù)時(shí)，將收到的字符依次放入接收環(huán)形緩沖區(qū)中，檢測(cè)到一個(gè)完整的幀后，從隊(duì)列尾部尋找一個(gè)可用空節(jié)點(diǎn)，將此幀的描述賦與節(jié)點(diǎn)，推入接收隊(duì)列中。應(yīng)用層則只需檢測(cè)接收隊(duì)列是否非空，若非空則根據(jù)節(jié)點(diǎn)中的幀描述從接收緩沖區(qū)中取出幀進(jìn)行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)組織好幀后，將幀內(nèi)容添加進(jìn)發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)幀描述推入發(fā)送隊(duì)列中，若要發(fā)送數(shù)據(jù)只需檢測(cè)發(fā)送隊(duì)列，非空則根據(jù)節(jié)點(diǎn)幀描述從發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)中取出幀進(jìn)行發(fā)送。

圖3以接收幀過程說明環(huán)形緩沖區(qū)和隊(duì)列在幀接收和提取時(shí)的應(yīng)用，發(fā)送過程類似。

圖3 接收和提取幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

幾個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明：

1) 結(jié)構(gòu)體1：幀描述結(jié)構(gòu)體，用于描述幀在環(huán)形緩沖區(qū)中的位置和一些重要屬性，如幀的報(bào)頭報(bào)文在緩沖區(qū)中的位置和長度、幀地址、幀類型、發(fā)送狀態(tài)、生命周期等。

2) 結(jié)構(gòu)體2:幀描述鏈表的節(jié)點(diǎn)。

3) 鏈表:將多幀數(shù)據(jù)的描述組織成隊(duì)列存放。

4) 環(huán)形緩沖區(qū)：接收環(huán)形緩沖區(qū)，用于存放接收到的字符。

5) 結(jié)構(gòu)體3: 接收幀結(jié)構(gòu)體，用于存放幀的有效內(nèi)容，即去除幀頭等固定字符后的內(nèi)容、報(bào)頭和報(bào)文的內(nèi)容和一些重要屬性。

如圖3所示，接收幀過程中，先將串口接收到的有效字符放入接收緩沖區(qū)中，待接收到BCC字符并校驗(yàn)通過后將接收幀描述(結(jié)構(gòu)體1)存入隊(duì)列中。提取幀時(shí)通過隊(duì)列中鏈表節(jié)點(diǎn)(結(jié)構(gòu)體2)的描述將接收緩沖區(qū)中的報(bào)頭、報(bào)文內(nèi)容提取到接收幀結(jié)構(gòu)體(結(jié)構(gòu)體3)中。應(yīng)用層中，結(jié)構(gòu)體3的內(nèi)容就是幀的有效內(nèi)容，只需對(duì)其進(jìn)行解析處理即可。

2.2 通訊實(shí)現(xiàn)圖

一套可靠的通訊協(xié)議，一次完整的通訊過程必然需要設(shè)備之間進(jìn)行多次握手，才能保證通訊穩(wěn)定可靠，同時(shí)通訊過程中還應(yīng)該包含確認(rèn)機(jī)制，否定重發(fā)機(jī)制，超時(shí)重發(fā)機(jī)制等，用通訊實(shí)現(xiàn)圖可清楚描述此類過程。圖4共列出7種情況。

圖4 通訊實(shí)現(xiàn)圖

1) 正常通信過程：發(fā)送方發(fā)送請(qǐng)求，接收方回復(fù)設(shè)備空閑，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方回復(fù)數(shù)據(jù)接收正確。

2) ENQ請(qǐng)求3次內(nèi)無回應(yīng)：發(fā)送ENQ請(qǐng)求后，若在設(shè)定時(shí)間Xms后無應(yīng)答，則重發(fā)ENQ請(qǐng)求，若重發(fā)2次后仍然無響應(yīng)則中斷通訊，認(rèn)定接收設(shè)備通訊異常。

3) ENQ請(qǐng)求回應(yīng)為XOFF：發(fā)送ENQ請(qǐng)求后，收到XOFF回應(yīng)，則Nms后再次發(fā)送ENQ請(qǐng)求，直到收到XON。

4) 數(shù)據(jù)發(fā)送3次內(nèi)無回應(yīng)：若ENQ請(qǐng)求成功，并發(fā)送數(shù)據(jù)后，若在設(shè)定時(shí)間Xms后無回應(yīng)，則重發(fā)數(shù)據(jù)，若重發(fā)2次后仍然無回應(yīng)則中斷通訊，認(rèn)定接收設(shè)備通訊異常。

5) 數(shù)據(jù)發(fā)送3次內(nèi)有回應(yīng)：若ENQ請(qǐng)求成功，并發(fā)送數(shù)據(jù)后，若在設(shè)定時(shí)間Xms后無應(yīng)答，則重發(fā)數(shù)據(jù)，若在3次內(nèi)有ACK或NAK回應(yīng)，則進(jìn)入正常通訊階段。

6) 數(shù)據(jù)發(fā)送3次內(nèi)無ACK回應(yīng)：若ENQ請(qǐng)求成功，并發(fā)送數(shù)據(jù)后，Xms時(shí)間內(nèi)收到NAK回應(yīng)，則立刻再次重發(fā)該數(shù)據(jù)，若在3次內(nèi)無ACK回應(yīng)，則中斷通訊，認(rèn)定通訊線路干擾過大。

7) 數(shù)據(jù)發(fā)送3次內(nèi)有ACK回應(yīng)：若ENQ請(qǐng)求成功后，發(fā)送數(shù)據(jù)后，Xms時(shí)間內(nèi)收到NAK回應(yīng)，則立刻再次重發(fā)該數(shù)據(jù)，若在3次內(nèi)有回應(yīng)有ACK，則進(jìn)入正常通訊階段。

2.3 接收幀實(shí)現(xiàn)

通信協(xié)議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好之后，發(fā)送、接收都應(yīng)該嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)來處理，對(duì)于接收來說要符合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幀，即需要屏蔽異常字符，同時(shí)需要去除幀頭等固定字符，提取報(bào)頭、報(bào)文等有效字符。由于串口是面向字節(jié)的，且串口通訊速度非常慢，在此選用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)接收數(shù)據(jù)。有限狀態(tài)機(jī)的原理是發(fā)生事件后，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，決定執(zhí)行的動(dòng)作，并設(shè)置下一個(gè)狀態(tài)，其使用范圍很廣[4]。

圖5的狀態(tài)遷移圖中使用UML標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記法，即當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)處于“狀態(tài)A”時(shí)發(fā)生“觸發(fā)”事件，只有當(dāng)[臨界條件]為真時(shí)系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)換到“狀態(tài)B”，然后，一個(gè)動(dòng)作被執(zhí)行。圖中可以看出根據(jù)設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)一共有8個(gè)狀態(tài)，而觸發(fā)事件是串口接收到一個(gè)字節(jié)，動(dòng)作則是將報(bào)頭或報(bào)文內(nèi)容推入接收緩沖區(qū)。根據(jù)此圖可方便編制出接收幀函數(shù)。若在單片機(jī)中使用，則只需將接收幀函數(shù)放入串口接收終端中，即每接收一個(gè)字節(jié)，執(zhí)行一次有限狀態(tài)機(jī)。待BCC驗(yàn)證后，幀有效內(nèi)容存入接收緩沖區(qū)，幀描述推入接收隊(duì)列。

圖5 接收幀狀態(tài)遷移圖

2.4 應(yīng)用層狀態(tài)設(shè)計(jì)

要想實(shí)現(xiàn)圖4中的7種通訊過程，需結(jié)合應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，即需提取幀之后，判斷幀類型或幀內(nèi)容后才能做出相應(yīng)的回應(yīng)，實(shí)現(xiàn)重發(fā)機(jī)制也需要在應(yīng)用層進(jìn)行一些設(shè)計(jì)。圖6為應(yīng)用層狀態(tài)示意圖，其包含了發(fā)送幀和接收幀的狀態(tài)處理，二者不是孤立的，而是息息相關(guān)的，因?yàn)樾枰鶕?jù)接收內(nèi)容判斷是否需要重發(fā)幀。

圖6 應(yīng)用層狀態(tài)示意圖

圖6中狀態(tài)的解釋如下：

1) 發(fā)送空閑：在此狀態(tài)下，首先需要不斷檢測(cè)發(fā)送隊(duì)列是否為空，非空則取出隊(duì)列中的幀判斷其發(fā)送狀態(tài)是否為待發(fā)送狀態(tài)，若是則發(fā)送此幀，發(fā)送完成后還需根據(jù)幀類型或控制幀指令碼判斷其是否需要等待回應(yīng)，若無需等待回應(yīng)則將此幀的超時(shí)生命周期置0；若需等待回應(yīng)則將此幀的超時(shí)重發(fā)次數(shù)減1，并開啟應(yīng)答超時(shí)計(jì)時(shí)。若應(yīng)答超時(shí)計(jì)時(shí)溢出，需重發(fā)正在等待回應(yīng)的幀。此外還需檢測(cè)發(fā)送隊(duì)列，從發(fā)送緩沖區(qū)和發(fā)送隊(duì)列中刪除生命周期為0 的幀。

2) 識(shí)別幀：此狀態(tài)是提取幀之后，根據(jù)幀類型和指令碼做出相應(yīng)的動(dòng)作。若收到A幀或XON幀則將正在等待回應(yīng)幀的生命周期置0, 關(guān)閉應(yīng)答超時(shí)計(jì)時(shí)。若收到NAK幀，則將否定重發(fā)次數(shù)減1,幀發(fā)送狀態(tài)置為待發(fā)送。若收到ENQ幀，則需要判斷接收緩沖區(qū)或接收隊(duì)列容量，若容量充足則組XON幀并推入發(fā)送隊(duì)列，相反組XOFF幀。若收到XOFF幀，則延時(shí)Nms后再繼續(xù)發(fā)送幀，同時(shí)應(yīng)暫停向發(fā)送隊(duì)列中添加幀。

3) 處理幀：此狀態(tài)是用于解析接收到的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容，即根據(jù)幀的報(bào)文內(nèi)容做相應(yīng)的動(dòng)作或任務(wù)。

3 實(shí)時(shí)性測(cè)試

評(píng)價(jià)一套良好的串行通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，本文所述的通訊協(xié)議主要應(yīng)用于單片機(jī)等嵌入式系統(tǒng)中，故測(cè)試平臺(tái)選用時(shí)下流行的STM32F103系列單片機(jī)，此款單片機(jī)時(shí)鐘頻率為72 MHz，同時(shí)在裸機(jī)和uC/OSII下對(duì)接收幀和發(fā)送幀時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,其中接收幀時(shí)間測(cè)試起始為接收到第一個(gè)字節(jié)開始，終止為從接收隊(duì)列中提取出幀；發(fā)送幀時(shí)間測(cè)試起始為將發(fā)送幀推入發(fā)送隊(duì)列，終止為此幀發(fā)送完成。

表1接收發(fā)送時(shí)間測(cè)試表

ms

如表1 所示，物理層設(shè)置的參數(shù)為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。即發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)需發(fā)送10位。 9 600bit/s的波特率下，理論上發(fā)送接收100字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)間為100×10/9 600=104ms,表中測(cè)試為103ms和105ms。故在此單片機(jī)系統(tǒng)中，接收發(fā)送程序?qū)νㄐ潘俣葞缀鯚o影響。而在uC/OSII下接收幀測(cè)試時(shí)間和裸機(jī)相同，發(fā)送幀測(cè)試時(shí)間會(huì)略多幾毫秒，原因是發(fā)送幀和接收幀任務(wù)設(shè)計(jì)為2個(gè)任務(wù)，uC/OSII此操作系統(tǒng)規(guī)定每個(gè)任務(wù)在適當(dāng)?shù)那闆r下必須釋放CPU一段時(shí)間，故會(huì)多出幾毫秒，如果在實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用中，可以忽略[5]。由于測(cè)試方法差異，實(shí)驗(yàn)器材不同、串口驅(qū)動(dòng)不相同等問題，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考。

4 結(jié)語

異步串行通信以其通訊簡單占用資源少的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域尤其是在嵌入式系統(tǒng)中，必定在很長一段時(shí)間內(nèi)依然會(huì)占據(jù)著重要地位。本文從幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到具體的幀接收發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方法都做出了簡單敘述，即描述了一套串行通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。雖然串行通信的應(yīng)用設(shè)備或場(chǎng)合不盡相同，但所述方法還是對(duì)串行通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有一定的參考價(jià)值。此外所述的通信協(xié)議已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際的景區(qū)閘機(jī)中，且運(yùn)行良好。

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