异步串行通信协议的设计与实现

引言
     在单片机控制系统中，CPU和外部通信主要有两种方 式：并行通信和串行通信。并行通信，即数据的各位同时传 送；串行通信，即数据按位次序传送。串行通信能够节省传 输线，特别是数据位数很多和传输距离较远时，这一优点更 为突出。现在流行的高级语言一般都支持对串口直接操作， 常用的单片机也把串行通讯口作为一个标准接口集成在单片 机内，串行通讯接口的开发具有开发周期短、开发简单等特 点。目前异步串行通信已广泛用于微机之间的通信、工业控 制系统中的数据采集与控制、远程数据的传送等领域。

1 串口通信的基本原理
在嵌入式系统中，串口是一种重要的数据通信接口， 其本质功能是，在CPU和串行设备间进行编码转换。当CPU 通过串行端口发送数据时，字节数据转换为串行的位串；接 收数据时，串行的位串被转换为字节数据。应用程序使用串 口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求 (打开串口)，通信完成后必须释放资源(关闭串口)。
典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：(1)地线；(2)发送数据线；(3)接收数据线。串口通

图1  通信命令格式  

图2  通信时序
信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个互相通信的端口，这些参数必须一致：波特率衡量通 信速度，表示每秒钟传送的bit的个数；数据位衡量通信中 实际数据位宽，标准值是5、7和8位。如何设置取决于具体 需求；停止位用于表示单个包的最后一位，典型值为1，1.5 和2位，停止位不仅仅表示传输的结束，还能提供计算机校 正时钟同步的机会；奇偶校验位是串口通信中一种简单的检 错方式，有四种检错方式——偶、奇、高和低，也可以没有 校验位。

2 异步串行通信协议的设计
通信协议是通信双方共同遵守的约定，对同步方式、 传送速度、传送步骤及检纠错方式定义等问题做出统一规 定。
在 控 制 系 统 中 ， 单 片 机 间 通 信 一 般 采 用 异 步 串 行 通 信，传统的异步串行通信协议一般采用如图1所示的命令格 式，命令消息括帧头(命令码)、 数 据 场 、 校 验 场 ；响应消息为ACK信号 ( A C K 取 不 同 的 值 ， 例 如 ： 正 确 响应 ACK = 0x55； 错 误 响 应 A C K =0 x A A ) 。 由 于 串 口 通信存在很多不可靠因素，例如由

表1  通信命令
电磁干扰造成帧字节丢失、 传输误码， 以及因主从单片机处理繁忙而造成响应延迟等。传统的通信协议难以克服由单片机处理
繁忙造成的响应延迟现象。如图2所示，当主芯片发送[命令1]后，当超过响应等待时间而没有得到ACK时，主芯片发送[命令2]，在下一个响应等待时间内将收到两次[ACK]，这种

图4  响应处理程序  

图5  整体软件设计
现象将导致主芯片做出错误判断，调用错误的程序分支，严 重影响系统的正常运行。因此，本文在通信协议的设计中， 采用响应消息加权的方法，提高了通信的可靠性，保证系统 正常运行。
本 文 设 计 的 响 应 消 息 加 权 式 通 信 协 议 ， 实 现 方 式 如 下：通信协议采用如图3所示的格式，命令消息和响应消息 采用相同的帧格式，包括帧头(命令码)、数据场、校验场； 其中响应消息帧头 = 命令消息帧头的加权(RPS = CMD | 0x80 或RPS = CMD | 0xC0)，主控芯片通过对响应消息的处理， 识别出响应的类型。通信协议各数据场的定义如表1所示， 本协议由nByte(n是用户自定义的任意正整数)构成，D1[7：6]为通信类型，D1[5：0]为指令码，D2～Dn-1为数据场，Dn为校验场。
程序处理过程如图4所示，当接收到响应时，响应处理 程序对响应消息帧头进行0xC0位与运算，还原并判断响应 类型；同时对帧头进行0x3F位与运算，还原出当前响应对应 的命令消息，然后调用相应的应用程序执行。例如，主芯

图6  硬件原理框图
片发送命令消息，命令消息帧头D1=0x02，从芯片正常接收 并进行加权响应，响应消息帧头D1=0x82，主芯片再经过位 与运算判断响应类型并还原出与之相对应的命令消息帧头
0x02。然后调用相应的程序执行，完成一次通信周期。

3 程序设计
在设计通信程序时充分考虑了主从单片机在通信过程 中的不确定因素，因此通信协议采用加权响应式通信协议， 克服主从单片机处理繁忙而造成的响应延迟；对于通信过程 中因干扰而导致通信数据丢失、传输误码等现象，可以在程 序设计时采用超时定时、计数重发等方法，保证通信的准确 性。软件程序设计中，主控芯片采用芯片内部的串口2，通信波特率为9600 bit /s，8 位数据，1位停止位。软件编写严格按照异步通信的时序进行，其响应处理程序流程如图4。

4 系统的实现及应用
本协议的设计初衷是用于一款内嵌DTMB接收功能的便 携式DVD产品的操作控制芯片与DTV解码芯片间的通信服 务。该产品为商业性产品，质量是产品的生命。为保证产品 质量，提高通信的可靠性，在设计异步串行通信时采用本文 的响应加权式通信协议。系统通信控制实现如图5。
硬件系统由主控芯片和DTV解码芯片构成，原理框图如图6所示。主控芯片内部串口2的收发引脚与DTV解码芯片 的收发引脚相连接。主控芯片在整个通信过程中起主导作用，用于发起通信与判断DTV解码芯片的响应。DTV解码芯片接收主控芯片发送的命令，解析后进行相关的动作。

5 结束语
本协议的设计初衷是为了克服主从单片机处理繁忙而 造成的响应延迟现象，同时又具有可扩展性，其中数据场的 字节长度可以由用户自行定义。将本协议应用到DVD产品的通信控制时，经过测试，在波特率9600bit/s下可以成功通信；并且本协议能保证主控 端正确识别响应类型以及还原出当前响应相对应的命令消 息，保证主控芯片做出正确的处理，从而保证整个系统的正 确运行。