賈昊，張燁，崔忠政，徐曌，楊揚，徐佳

（1.大連科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，遼寧大連，116052；2.中國華錄松下電子信息有限公司開發(fā)中心，遼寧大連，116000）

0 引言

在單片機控制系統(tǒng)中，CPU和外部通信主要有兩種通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。串行通信能夠節(jié)省傳輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距離數(shù)據(jù)傳送時，這一優(yōu)點更為突出?，F(xiàn)在流行的高級語言一般都支持對串口的直接操作，常用的單片機也把串行通訊口作為一個標(biāo)準(zhǔn)接口集成在單片機內(nèi)，串行通訊接口的開發(fā)具有開發(fā)周期短，開發(fā)簡單等特點。目前異步串行通信已廣泛用于微機之間的通信、工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與控制、遠程數(shù)據(jù)的傳送等方面。

1 串口通信的基本原理

串口在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中是一類重要的數(shù)據(jù)通信接口，其本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位；在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。

典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送數(shù)據(jù)線，（3）接收數(shù)據(jù)線。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：波特率是一個衡量通信速度的參數(shù)，它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)；數(shù)據(jù)位是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，當(dāng)計算機發(fā)送一個信息包，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你的需求；停止位用于表示單個包的最后一位，典型的值為1，1.5和2位，停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會；奇偶校驗位是串口通信中一種簡單的檢錯方式，有四種檢錯方式—偶、奇、高和低，也可以沒有校驗位。

2 異步串行通信協(xié)議的設(shè)計

通信協(xié)議是通信雙方共同遵守的約定，這種約定還包括對同步方式、傳送速度、傳送步驟及檢糾錯方式定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。

在控制系統(tǒng)中，單片機間通信一般采用異步串行通信，傳統(tǒng)的異步串行通信協(xié)議一般采用如圖1所示的命令格式，命令消息包括幀頭（命令碼）、數(shù)據(jù)幀、校驗幀；響應(yīng)消息為ACK信號（ACK取不同的值，例如：正確響應(yīng) ACK =0x55；錯誤響應(yīng) ACK = 0xAA）。由于在串口通信中還存在很多不可靠的因素，例如由于電磁干擾造成的幀字節(jié)丟失、傳輸誤碼，以及因主從單片機處理繁忙而造成的響應(yīng)延遲等。傳統(tǒng)的通信協(xié)議難以克服由于單片機處理繁忙而造成的響應(yīng)延遲現(xiàn)象。如圖2所示，當(dāng)主芯片發(fā)送[命令1]后，當(dāng)超過響應(yīng)等待時間而沒有得到ACK時，主芯片發(fā)[命令2]，而此時在下一個響應(yīng)等待時間內(nèi)收到兩次[ACK]，這時將導(dǎo)致主芯片做出錯誤判斷，調(diào)用并非本意的程序執(zhí)行，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運行。因此，本文在通信協(xié)議的設(shè)計中，采用響應(yīng)消息加權(quán)的方法，提高了通信的可靠性，保證系統(tǒng)正常運行。

圖1 通信命令格式

圖2 通信時序

本響應(yīng)消息加權(quán)式通信協(xié)議，實現(xiàn)方式如下：通信協(xié)議采用如圖3所示的格式，命令消息和響應(yīng)消息采用相同的幀格式，包括幀頭（命令碼）、數(shù)據(jù)幀、校驗幀；其中響應(yīng)消息幀頭 = 命令消息幀頭的加權(quán)（RPS = CMD | 0x80 或RPS= CMD | 0xC0），主控芯片通過對響應(yīng)消息的處理，識別出響應(yīng)的類型。通信協(xié)議各數(shù)據(jù)位的定義如表1所示，本協(xié)議由nByte（n是由用戶自己定義的任意值正整數(shù)）構(gòu)成，D1[7：6]為通信類型，D1[5：0]為指令碼，D2～Dn-1為數(shù)據(jù)位，Dn為校驗位。

表1 通信命令

程序處理過程如圖4所示，當(dāng)有響應(yīng)發(fā)生時，響應(yīng)處理程序?qū)憫?yīng)消息幀頭進行0xC0加權(quán)處理，還原并判斷響應(yīng)類型；同時經(jīng)過對幀頭進行0x3F加權(quán)處理，還原出當(dāng)前響應(yīng)相對應(yīng)的命令消息，然后調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序執(zhí)行。例如，當(dāng)主芯片發(fā)送命令消息，命令消息幀頭D1=0x02，從芯片正常接收并進行加權(quán)響應(yīng)，響應(yīng)消息幀頭D1=0x82，主芯片再經(jīng)過加權(quán)處理判斷響應(yīng)類型并還原出與之相對應(yīng)的命令消息幀頭0x02。然后調(diào)用相應(yīng)的程序執(zhí)行，完成一次通信周期。

圖3 加權(quán)響應(yīng)命令格式

圖4 響應(yīng)處理流程圖

3 程序設(shè)計

通信程序在設(shè)計時充分考慮了主從單片機在通信過程中的不確定因素，因此通信協(xié)議采用加權(quán)響應(yīng)式通信協(xié)議，克服主從單片機處理繁忙而造成的響應(yīng)延遲；對于通信過程中的干擾而導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)丟失、傳輸誤碼等現(xiàn)象，可以在程序設(shè)計時采用超時定時、計數(shù)重發(fā)等方法，保證通信的準(zhǔn)確性。

軟件程序設(shè)計中，主控芯片采用芯片內(nèi)部的串口2，通信波特率為9600 bit /s，8 位數(shù)據(jù)，1位停止位。其中軟件編寫要嚴(yán)格按照異步通信的時序進行，其響應(yīng)處理程序流程如圖5所示。

圖5 整體軟件流程圖

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)及應(yīng)用

本協(xié)議的設(shè)計是初衷是為一款內(nèi)嵌DTMB接收功能的便攜式DVD產(chǎn)品的操作控制芯片與DTV解碼芯片間的通信服務(wù)。由于該產(chǎn)品為商業(yè)性產(chǎn)品，因此質(zhì)量是產(chǎn)品的生命。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高通信的可靠性，本設(shè)計在異步串行通信上采用筆者設(shè)計的響應(yīng)加權(quán)式通信協(xié)議。系統(tǒng)通信控制實現(xiàn)如下：

硬件系統(tǒng)操作控制部由主控芯片和DTV解碼芯片構(gòu)成，原理框圖如圖6所示。通過主控芯片內(nèi)部串口2的收發(fā)引腳與DTV解碼芯片的收發(fā)引腳相連接。主控芯片在整個通信過程起主導(dǎo)作用，用于通信控制的發(fā)起與對DTV解碼芯片的響應(yīng)判斷。DTV解碼芯片接收主控芯片發(fā)送的命令，解析后進行相關(guān)的動作。

圖6 原來的電路原理圖

5 結(jié)論

本協(xié)議的設(shè)計初衷是為了克服主從單片機處理繁忙而造成的響應(yīng)延遲現(xiàn)象，同時又具有可擴展性，其中數(shù)據(jù)位的字節(jié)長度可以由用戶自行定義。

將本協(xié)議應(yīng)用到DVD產(chǎn)品的通信控制時，經(jīng)測過試，在波特率9600bit/s下可以成功通信；并且本協(xié)議能保證主控端正確識別響應(yīng)類型以及還原出當(dāng)前響應(yīng)相對應(yīng)的命令消息，保證主控芯片的做出正確的處理，從而保證整個系統(tǒng)的正確運行。