異步串行通信協議的設計與實現

引言
     在單片機控制系統中，CPU和外部通信主要有兩種方 式：並行通信和串行通信。並行通信，即數據的各位同時傳 送；串行通信，即數據按位次序傳送。串行通信能夠節省傳 輸線，特別是數據位數很多和傳輸距離較遠時，這一優點更 為突出。現在流行的高級語言一般都支持對串口直接操作， 常用的單片機也把串行通訊口作為一個標準接口集成在單片 機內，串行通訊接口的開發具有開發周期短、開發簡單等特 點。目前異步串行通信已廣泛用於微機之間的通信、工業控 制系統中的數據採集與控制、遠程數據的傳送等領域。

1 串口通信的基本原理
在嵌入式系統中，串口是一種重要的數據通信接口， 其本質功能是，在CPU和串行設備間進行編碼轉換。當CPU 通過串行埠發送數據時，字節數據轉換為串行的位串；接 收數據時，串行的位串被轉換為字節數據。應用程式使用串 口進行通信，必須在使用之前向作業系統提出資源申請要求 (打開串口)，通信完成後必須釋放資源(關閉串口)。
典型地，串口用於ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：(1)地線；(2)發送數據線；(3)接收數據線。串口通

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圖1  通信命令格式  

圖2  通信時序
信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對於兩個互相通信的埠，這些參數必須一致：波特率衡量通 信速度，表示每秒鐘傳送的bit的個數；數據位衡量通信中 實際數據位寬，標準值是5、7和8位。如何設置取決於具體 需求；停止位用於表示單個包的最後一位，典型值為1，1.5 和2位，停止位不僅僅表示傳輸的結束，還能提供計算機校 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 異步串行通信協議的設計
通信協議是通信雙方共同遵守的約定，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一規 定。
在 控 制 系 統 中 ， 單 片 機 間 通 信 一 般 採 用 異 步 串 行 通 信，傳統的異步串行通信協議一般採用如圖1所示的命令格 式，命令消息括幀頭(命令碼)、 數 據 場 、 校 驗 場 ；響應消息為ACK信號 ( A C K 取 不 同 的 值 ， 例 如 ： 正 確 響應 ACK = 0x55； 錯 誤 響 應 A C K =0 x A A ) 。 由 於 串 口 通信存在很多不可靠因素，例如由

表1  通信命令
電磁幹擾造成幀字節丟失、 傳輸誤碼， 以及因主從單片機處理繁忙而造成響應延遲等。傳統的通信協議難以克服由單片機處理
繁忙造成的響應延遲現象。如圖2所示，當主晶片發送[命令1]後，當超過響應等待時間而沒有得到ACK時，主晶片發送[命令2]，在下一個響應等待時間內將收到兩次[ACK]，這種

圖4  響應處理程序  

圖5  整體軟體設計
現象將導致主晶片做出錯誤判斷，調用錯誤的程序分支，嚴 重影響系統的正常運行。因此，本文在通信協議的設計中， 採用響應消息加權的方法，提高了通信的可靠性，保證系統 正常運行。
本 文 設 計 的 響 應 消 息 加 權 式 通 信 協 議 ， 實 現 方 式 如 下：通信協議採用如圖3所示的格式，命令消息和響應消息 採用相同的幀格式，包括幀頭(命令碼)、數據場、校驗場； 其中響應消息幀頭 = 命令消息幀頭的加權(RPS = CMD | 0x80 或RPS = CMD | 0xC0)，主控晶片通過對響應消息的處理， 識別出響應的類型。通信協議各數據場的定義如表1所示， 本協議由nByte(n是用戶自定義的任意正整數)構成，D1[7：6]為通信類型，D1[5：0]為指令碼，D2～Dn-1為數據場，Dn為校驗場。
程序處理過程如圖4所示，當接收到響應時，響應處理 程序對響應消息幀頭進行0xC0位與運算，還原並判斷響應 類型；同時對幀頭進行0x3F位與運算，還原出當前響應對應 的命令消息，然後調用相應的應用程式執行。例如，主芯

圖6  硬體原理框圖
片發送命令消息，命令消息幀頭D1=0x02，從晶片正常接收 並進行加權響應，響應消息幀頭D1=0x82，主晶片再經過位 與運算判斷響應類型並還原出與之相對應的命令消息幀頭
0x02。然後調用相應的程序執行，完成一次通信周期。

3 程序設計
在設計通信程序時充分考慮了主從單片機在通信過程 中的不確定因素，因此通信協議採用加權響應式通信協議， 克服主從單片機處理繁忙而造成的響應延遲；對於通信過程 中因幹擾而導致通信數據丟失、傳輸誤碼等現象，可以在程 序設計時採用超時定時、計數重發等方法，保證通信的準確 性。軟體程序設計中，主控晶片採用晶片內部的串口2，通信波特率為9600 bit /s，8 位數據，1位停止位。軟體編寫嚴格按照異步通信的時序進行，其響應處理程序流程如圖4。

4 系統的實現及應用
本協議的設計初衷是用於一款內嵌DTMB接收功能的便 攜式DVD產品的操作控制晶片與DTV解碼晶片間的通信服 務。該產品為商業性產品，質量是產品的生命。為保證產品 質量，提高通信的可靠性，在設計異步串行通信時採用本文 的響應加權式通信協議。系統通信控制實現如圖5。
硬體系統由主控晶片和DTV解碼晶片構成，原理框圖如圖6所示。主控晶片內部串口2的收發引腳與DTV解碼晶片 的收發引腳相連接。主控晶片在整個通信過程中起主導作用，用於發起通信與判斷DTV解碼晶片的響應。DTV解碼晶片接收主控晶片發送的命令，解析後進行相關的動作。

5 結束語
本協議的設計初衷是為了克服主從單片機處理繁忙而 造成的響應延遲現象，同時又具有可擴展性，其中數據場的 字節長度可以由用戶自行定義。將本協議應用到DVD產品的通信控制時，經過測試，在波特率9600bit/s下可以成功通信；並且本協議能保證主控 端正確識別響應類型以及還原出當前響應相對應的命令消 息，保證主控晶片做出正確的處理，從而保證整個系統的正 確運行。