■ 夏志飛 趙雷/凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司

串口通信常用于計(jì)算機(jī)及嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，尤其是在遠(yuǎn)程控制、測(cè)試測(cè)量等工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)經(jīng)常以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需封包，接收數(shù)據(jù)時(shí)需解包，準(zhǔn)確無(wú)誤地解包是一項(xiàng)非常重要的工作。

1 串口通信

目前常見(jiàn)的串口通信接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232、RS-422、RS-485等， 其 中，RS-232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）在20世紀(jì)60年代發(fā)布的通信協(xié)議，方便不同廠家產(chǎn)品之間數(shù)據(jù)的通信；RS-422在RS-232的基礎(chǔ)上提高了傳輸距離和抗干擾能力；RS-485又在RS-422的基礎(chǔ)上增加了多點(diǎn)雙向通信能力[1]。這幾種標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了通信接口的物理層電氣標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

對(duì)于工程應(yīng)用而言，信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及正確性非常重要，如果每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過(guò)一幀，一般就采用數(shù)據(jù)包的形式傳輸。如圖1所示，每個(gè)數(shù)據(jù)幀由多個(gè)連續(xù)的位（Bite）構(gòu)成，通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度一般為5～9，每個(gè)數(shù)據(jù)包又由多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀構(gòu)成。串口通信的速率相對(duì)較低，一般數(shù)據(jù)量有限，采用單數(shù)據(jù)包機(jī)制，少數(shù)也有采用類似網(wǎng)絡(luò)通信分層處理方式的，但中間層一般還是采用數(shù)據(jù)包機(jī)制。

2 數(shù)據(jù)包格式分析

為了避免數(shù)據(jù)傳輸中的混亂與錯(cuò)誤，便于數(shù)據(jù)的解釋與分析，數(shù)據(jù)包之間必須有明顯的標(biāo)志，通常基于以下兩種方式。

1）基于特殊字符

以特殊字符作為數(shù)據(jù)包的開始，再根據(jù)幀尾或幀長(zhǎng)確定整個(gè)數(shù)據(jù)包，具體的格式很多，如包頭+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)+包尾、包頭+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)值等，優(yōu)點(diǎn)是特殊字符識(shí)別容易、邏輯簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)域中不能包含包頭、包尾，當(dāng)然可通過(guò)增加轉(zhuǎn)義符的方式來(lái)避免，只是要增加額外的處理。

圖1 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

2）基于時(shí)間

數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，數(shù)據(jù)包間存在一定的間隔時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)是比較通用，絕大部分串口通信都不是滿負(fù)荷傳輸，數(shù)據(jù)包間都存在較大的時(shí)間間隙；缺點(diǎn)是處理稍復(fù)雜，需要判定時(shí)間。

當(dāng)然，以上兩種方法經(jīng)常結(jié)合在一起使用，可以減少數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的異常，共同保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?/p>

3 實(shí)用解包方法

串口數(shù)據(jù)包的解包過(guò)程通常分為數(shù)據(jù)包分割、數(shù)據(jù)提取與分析兩部分，在不清楚串口通信協(xié)議的情況下，還需反推數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)包的格式。

1）數(shù)據(jù)幀格式反推

在缺少資料的情況下，可直接基于串口通信物理接口進(jìn)行分析，采用示波器分析可知串口通信的類型。RS-232一般采用三線制傳輸數(shù)據(jù)，少數(shù)采用五線制傳輸數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)RS-232信號(hào)電平為±12V；單片機(jī)之間的通信有時(shí)也采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。RS-422/RS-485采用四線或雙線差分傳輸，差分電壓一般為±5V。

確定串口通信標(biāo)準(zhǔn)后，還需確定數(shù)據(jù)幀的格式。采用邏輯分析儀進(jìn)行分析較為方便，部分邏輯分析儀如Saleae Logic等包含了串行總線數(shù)據(jù)分析功能（見(jiàn)圖2）[2]，設(shè)定串口數(shù)據(jù)幀的波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位、校驗(yàn)位等參數(shù)后再分析采樣數(shù)據(jù)，嘗試幾次便可確定數(shù)據(jù)幀的格式。

2）數(shù)據(jù)包分割

絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)包之間都存在一定的時(shí)間間隙，可據(jù)此判定分割。數(shù)據(jù)量較多時(shí)，一般需借助計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)分割，下面介紹一種數(shù)據(jù)包分割識(shí)別的方案。

圖3為數(shù)據(jù)包分割的基本流程，無(wú)論是計(jì)算機(jī)還是單片機(jī)都可使用。對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，Windows操作系統(tǒng)下定時(shí)器精度一般只達(dá)到1ms，無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)（數(shù)據(jù)包間隔）一般要求大于10ms；對(duì)于單片機(jī)而言，由于不少型號(hào)的單片機(jī)沒(méi)有串口硬件緩存，定時(shí)查詢的時(shí)間需小于單個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臅r(shí)間。

依據(jù)數(shù)據(jù)包間隔超時(shí)分割數(shù)據(jù)包時(shí)，還可同時(shí)依據(jù)數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾、校驗(yàn)等進(jìn)行判定及篩選，圖4是基于此原理開發(fā)的UART splitter軟件數(shù)據(jù)包分割的設(shè)置界面。

3）數(shù)據(jù)包格式反推

反推數(shù)據(jù)包格式時(shí)，首先確定數(shù)據(jù)包的構(gòu)成。一般數(shù)據(jù)的包頭、包尾、包長(zhǎng)度的位置是固定的，較容易識(shí)別；校驗(yàn)通常有和校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等幾種，需要猜測(cè)幾次才能確定；余下的一般就是數(shù)據(jù)區(qū)。

圖2 Saleae Logic邏輯分析儀串口總線分析設(shè)置界面

圖3 數(shù)據(jù)包分割的基本流程

圖4 UART splitter軟件數(shù)據(jù)包分割設(shè)置界面

確定數(shù)據(jù)包的構(gòu)成后，需要重點(diǎn)分析的便是數(shù)據(jù)區(qū)。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)編碼有BNR（按2的補(bǔ)碼小數(shù)記法表示的二進(jìn)制）碼、BCD碼或ASCII碼等，少數(shù)采用自定義編碼，或由多個(gè)數(shù)據(jù)組合成一個(gè)數(shù)據(jù)包，甚至涉及加密，這樣的數(shù)據(jù)需要大量采樣后統(tǒng)計(jì)、分析其規(guī)律。

4）數(shù)據(jù)提取與分析

數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)通常不能直接處理，其處理方式需根據(jù)工程的需求而定，一般需將有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)并進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換處理后再進(jìn)行分析。若數(shù)據(jù)量很大或計(jì)算復(fù)雜時(shí)，Windows操作系統(tǒng)下一般需另開線程處理，單片機(jī)中一般需在低級(jí)別的中斷中處理，以確保數(shù)據(jù)包分割的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了串口數(shù)據(jù)解包的基本原理和方法，該方法已應(yīng)于筆者參與的多個(gè)工程中，取得了較好的效果，此外，該方法對(duì) SPI、I2C、CSDB、Manchester等串行總線數(shù)據(jù)的解包也有借鑒意義。