两种MCU间的串行通信协议设计

引言
Cortex-M3是ARM公司推出的32位处理器，使用了最新一代的ARMv7架构，具有高性能、低功耗和低成本的优点。对那些对功耗与成本敏感、但又要求较高性能的嵌入式应用来说，Correx-M3无疑是最佳解决方案；而对成本要求苛刻、运算能力要求不高的设备来说，嵌入成熟稳定的8051处理器，已经成为了业内的流行做法。目前，越来越多的嵌入式系统同时使用了上述两种MCU，因此如何使Cortex-M3与8051之间可以高效地进行信息交互，是实现设计目标的关键。

1 方案设计
要进行信息交互，离不开物理接口。在嵌入式应用中，目前常用的接口有UART、SPI和I2C等串行接口。UART接口只需两根数据线就可以工作，时序控制简单，大部分设备都整合了这种接口。而且，经过电平转换后UART的TTL电平可以转换成RS232电平，RS232接口是计算机标准配置的通信接口，可以通过超级终端查看串口的数据，便于使用PC机对线路进行检测分析。因此，本设计采用UART接口作为Cortex-M3与C51之间的通信接口。
考虑到各种需求，本文设计了一种基于UART接口的，用于Cortex-M3和C51之间的通信协议，使Cortex-M3与C51之间可以高效地进行信息交互。当两个MCU之间需要进行通信的时候，发送方把原始数据下放给通信协议，通信协议按照特定格式把数据打包，通过UART接口发送给对方。接收方收到数据时，MCU运行相应的通信协议，把数据解包，就可以得到发送方的原始数据，将其交付给上层程序。体系结构如图1所示。

如果使用其他串行接口，原理大体相同，只需对硬件作相应改动，即对接口控制模块稍作修改即可投入使用。
下面以实际工程中某种多媒体系统为例详细说明。该系统采用了以Cortex-M3为内核的STM32处理器和嵌入了C51核的MST776视频处理芯片，使用UART接口进行通信。

2 具体实现
2．1 硬件设置
具体的器件不同，UART的工作方式也有所区别，主要表现在波特率、停止位、数据字长度等参数上。当两个器件用UART连接时，所有参数必须完全一致，否则通信很容易出错。在此，要特别注意波特率的设置：当线路质量好的时候，波特率可以设置得高点，以获得较高的传输速率；线路质量差的时候，就要减小波特率，以降低误码率。
本设计中，STM32与MST776都整合了UART接口，只需配置少量电阻；同时，线缆长度不超过20 cm，使用环境的电磁干扰小，波特率可以设置为38 400bps，甚至更高。另外，考虑到C51的处理速度较低，因此波特率不应设置得太高，避免造成C51侧数据溢出，进而造成死机。
本设计只需使用两根数据线来实现两个MCU之间的互连，把STM32上选定的UART接口的TX与对端的UART接口的RX相连，把RX与对端的UART接口的TX相连。
2．2 软件设计
2．2．1数据帧解析
Cortex-M3侧和C51侧采用同样的数据帧格式，以简化编程的难度，增强程序的可移植性。数据帧由起始标识符、数据长度、类型ID、通信内容、循环冗余校验码构成，如图2所示。

(1)起始标识符
起始标识符的作用主要是用于定界，把不同的数据帧在一连串的数据中分离开来。起始标识符内的数据不能与数据帧中可能出现的任何数据相同，否则会引起歧义，导致定界失败，造成数据错误。在本例中，为2个字节，选用0xFF+0xAA，因为该组合与其他数据具有排他性，不会引起歧义。
(2)数据长度
数据长度的计算方法为，从该位开始，到最后一个数据位结束，也就是CRC校验位之前的一个字节。虽然使用Length位可以表示很长的数据帧，但在应用中应尽量采用短帧，以避免各种干扰因素造成少数数据位出错，导致大量数据无效，影响通信效率。同时，应该设置一个最大发送长度，以便设置超时重传计时器的值。本例采用1个字节，最大帧长为260个字节。
(3)类型ID
根据实际需要，类型ID可以采用1个或多个字节，用于表示该数据帧的作用类型。本例中，采用1个字节，可以表示256种作用类型，例如设备参数帧(如音量)、线路探测帧或应答帧。
(4)通信内容
通信内容与类型ID结合，表达特定意义。相同的Data，但ID不同的话，表达的信息不一样。根据不同的ID，Data的长度可能会有所不同。
(5)循环冗余校验码
循环冗余校验码用于校验接收到的数据是否在传输过程中出错。本例中采用CRC-16算法，占2个字节，对从起始标识符开始到最后一个通信内容位的所有数据进行运算，把得到的结果附在最后。
2．2．2 收发流程
发送流程：将要发送的数据添加起始标识符和长度后，计算CRC-16校验码，附在最后，形成一个完整的数据帧，然后通过UART发送出去。发送完毕后启动超时重传计时器。
接收流程：当接收到一个字节的数据时，根据系统状态采取不同的操作。当数据上交后，上层程序根据类型ID和通信内容来作出相应的响应。具体流程如图3所示。