嵌入式系统中串口通信帧的同步方法研究

引 言

串口通信是日前单片机和DSP等嵌入式系统之间，以及嵌入式系统与PC机或无线模块之间的一种非常重要且普遍使用的通信方式。在嵌入式系统的硬件结构中，通常只有一个8位或16位的CPU，不仅要完成主流程的工作，同时还要处理随时发生的各种中断，因而嵌入式系统中的串口通信程序设计与PC机有很大的不同。若嵌入式系统中．中断服务子程序在系统运行过程中占用了较多的时间，就有可能在中断眼务子程序正运行时，又产生一个同类型或其他类型的中断，从而造成主程序得不到执行或后续中断数据丢失。所以，嵌入式系统中的串口通信虽然看似简单，但其中仍有许多问题值得研究，例如串口通信过程中的帧同步问题。本文针对该问题给出了逐次比较、基于FIFO队列和基于状态机的3种帧同步方法。通过测试、分析和比较得出，基于有限状态机的方法是嵌入式系统串口通信中很有效的帧同步方法，同时也是一种很不错的串口通信程序设计结构。

1 串口通信的数据帧结构

现代工业控制，往往需要由多个独立的控制模块来共同完成。它们之间通过串口通信完成复杂的控制过程，必须在通信过程中加入必要的通信协议，以提高系统的可靠性和稳定性；而要完成特定的通信协议，就得有一定的同步机制。下面介绍一下简化的串口通信数据帧结构，以便分析说明嵌入式系统串口通信过程中的帧同步方法。

假定串口发送的数据帧结构为：

其中：包头用于同步，一般是一个或多个ASCII字符，本文中假定数据帧同步头有2字节(0xAA、0x55)；包长表示数据包中除去包头和包长的字节数，一般用约定好的几个字节表示；类型为通信协议里规定的命令类型；数据为应发送的主要信息；校验通常采用单字节"异或"的方法。

2 串口通信中的帧同步方法

2．1 逐次比较的帧同步方法

首先等待串口数据，将接收到的第1个字节数据与约定好的包头信息的第1个字节进行比较。如果不正确，则等待新字节，直到接收的数据与包头信息的第1个字节相同。第1个字节比较正确以后，将收到的第2个字节与包头信息的第2个字节进行比较。如果仍然正确，则说明串口接收已经同步，可以开始接收数据帧中的数据部分；否则，重新开始同步过程。其程序流程如图1所示。

此种方法代码量小，编程简单，一般用于在主程序中以非中断方式接收串口数据、实时性很差、数据帧较短的场合。但是，在串口速度过快且包头字节数比较多的情况下，串口实现同步花费的时间很长或很难实现同步。例如，串口接收到序列Ox0O OxAA0xAA 0x55…，当遇到第一个"0xAA"时，该方法认为第1个字节正确开始比较第2个同步头。第2个字节仍是"0xAA"而不是"0x55"，所以必须等待新的字节重新开始比较第1个同步头。而紧随其后的是"0x55"，因而，此时包头的第1个字节也没有同步上。事实上，"0x00 OxAA"是干扰字节，"0xAA 0x55"才是通信协议中的同步头。

2.2 基于FIFO队列的帧同步方法

根据同步包头的长度，定义一个相同长度的全局字节数组，把该数组看成是一个如图2所示的先入先出(FIFO)的队列。程序流程如图3所示。

本例中定义两个字节HEADl和HEAD2，都初始化为0xFF。同步时，丢弃数组头字节HEADl，数组中的所有数据向前移动一个字节，串口接收到的新字节存入数组末字节HEAD2中，将整个数组与协议中的包头信息比较。如果正确，则置位已同步标志位，然后开始接收、存储有用数据；否则，继续等待同步。串口数据接收完后，不仅要清除已同步标志，还要把HEADl和HEAD2两个字节都赋值0xFF；否则，将会影响下一帧数据的同步和接收。用前面提到的序列"0x00 0xAA 0xAA 0x55…"进行测试，随着串口接收中断收到新的字节。帧同步队列中的数据依次为：[0xFF，0xFF]→[0x00，0xFF]→[0xAA，0x00]→[0xAA，0xAA]→[0x55，0xAA]。此时，该算法检测出[HEAD2，HEAD2]==[0x55，0xAA]，从而实现了同步，置位已同步标志位以便下次进入串口接收中断服务子程序时开始接收数据包的数据部分。

此种方法与逐次比较的帧同步方法相比，能够比较快速、正确地检测出同步包头；但是如果包头的字节数很多，同步过程中每次进入串口中断服务子程序都要进行大量的字节搬移，将必然耗费很长的时间。为了使嵌入式系统更健壮，程序设计应把握的基本原则之一就是使中断处理程序最短。所以基于FIFO队列的帧同步方法也不是最优的。

2.3 基于有限状态机的帧同步方法

为解决以上问题，可以采用基于有限状态机的设计方法。该方法将数据帧的接收过程分为若干个状态：接收信息头HEADl状态、接收信息