摘要：在嵌入式環境下，因設備間通信距離較遠，多采用串行通信" title="串行通信">串行通信方式，但許多串行通信協議只適用于協議設計" title="協議設計">協議設計時的應用系統環境，不具有通用性，且有些協議存在通信失敗的風險。通過分析設備間的通信需求，設計了一種分層的串行幀通信協議，該協議簡單可靠，能適應多種系統環境。在嵌入式Linux系統" title="嵌入式Linux系統">嵌入式Linux系統環境下，該協議在實際應用系統中運行穩定。
關鍵詞：串行通信；協議設計；嵌入式Linux系統；應用層；鏈路層

    嵌入式系統之間的通信通常有兩種方式：并行通信和串行通信。并行方式傳輸數據速度快，但占用的通信線多，傳輸數據的可靠性隨距離的增加而下降，只適用于近距離的數據傳送。在遠距離數據通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信線少、成本低等優點。目前RS 232串口是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口，它應用于點對點通信模式，實際使用中多采用最簡單的三線方式連接，即兩端設備的串口只連接收、發、地三根線，即可實現簡單的全雙工通信。通信協議是兩端設備數據交換的語言，是通信可靠性的保證，在保證功能的前提下，通信協議應該力求簡潔。

1 系統通信需求
    本系統主要完成野外環境下時間間隔測量和瞬態數據采集的功能，系統內各模塊均選用三星公司的S3C2440" title="S3C2440">S3C2440芯片為處理器，操作系統使用嵌入式Linux。模塊間通信的主要任務為控制命令的下發與應答、工作狀態和采集數據的上報等，對通信的可靠性要求較高，無數據加密需求。
    根據系統軟硬件情況設定串口工作參數如下：115 200波特率，8位數據位，1位停止位，奇校驗、無流控。波特率的設置需要綜合考慮所選用芯片的串口性能、串口連接線長度、傳輸數據的最大幀長和應用過程中的誤碼率等；無流控則是由于串口使用三線方式連接。

2 通信協議的分層結構
    為保證不同設備之間通信協議的通用性，降低實現的復雜度，將通信協議為分上下兩層：上層為應用層，規范了設備間應用程序通信使用的應用層數據格式；下層為鏈路層" title="鏈路層">鏈路層，提供物理線路數據的發送與接收，應用層數據拆分與合并、封裝與解封裝以及錯誤檢測功能。協議應用層部分根據各設備功能的不同使用不同的數據格式，而鏈路層部分則完全通用。應用層通信過程如圖1所示。

    發方設備按照約定的應用層數據格式構造應用層數據，交由鏈路層進行數據的拆分、封裝、校驗，再將生成的數據以數據幀的形式發送至物理線路；收方設備則從物理線路上接收數據，進行幀定位、解封裝、錯誤檢測、數據合并等，最后將應用層數據上交給應用層處理。收發方設備的應用層可根據用戶需求的變化，不斷修改應用層數據格式，并利用鏈路層提供的功能接口完成通信功能，故該通信協議設計的關鍵在于鏈路層，以下著重闡述鏈路層的設計與實現。

3 鏈路層設計
    鏈路層主要包含以下功能：數據拆分與合并、數據封裝與解封裝、數據幀的發送和接收以及錯誤檢測與重發機制。
3．1 數據拆分與合并
    數據拆分即是把過長的應用層數據分成幾部分，用多幀數據幀發送，接收端收到后再進行數據合并，上交給應用層處理。過長的應用層數據如果不進行拆分，可能導致數據幀超出設計的緩沖區大小，也可能造成發送時間太長導致超時錯誤。這個長度需要根據實際需求合理設置，當數據幀傳輸出現錯誤時，這幀數據就需要重新傳輸，長度太大將造成較大開銷；長度太小，封裝時產生的開銷字節所占比例又太高，影響傳輸效率。
3．2 數據封裝與解封裝
    數據封裝即是以一定格式把拆分后的應用層數據加上功能指示、數據長度等字段，以便對方收到后知道如何處理。數據封裝格式及功能指示字段含義如表1，表2所示。

 
3．3 幀發送與接收
    鏈路層以幀為單位進行數據收發，一種普遍的界定幀起始與結束的方法是：在待發送數據的頭部和尾部加入特殊的起始碼和結束碼，如果在數據中出現了這個碼型，就必須在數據發送前進行轉義處理，把它轉換成其他碼型，否則將導致幀定位錯誤，數據通信失敗。很多協議實現者為求實現簡單沒有進行這種轉義，存在通信失敗的風險，其實在點對點協議(PPP協議)中的描述了一種轉義處理方法，經簡化后，實現起來也并不復雜，描述如下：
    數據發送方在幀首處發送0x7E作為起始碼，逐字節發送封裝后的數據，遇到0x7E時，發送0x7D，0x5E字節序列，遇到0x7D時，發送0x7 D，0x5D字節序列，最后在幀尾處發送0x7E作為結束碼；
    數據接收方在串口數據流中搜索第一個0x7E作為幀起始(連續的0x7E則以最后一個為幀起始)，逐字節接收數據，遇到0x7D時，跳過不處理，而把該字節的后一個字節加上0x20，直到遇到0x7E認為幀結束。
    在鏈路幀發送前，應使用CRC16算法對封裝數據進行校驗，校驗多項式為，校驗值寫入校驗字段中；在鏈路幀接收后，先對其進行校驗，如果檢驗成功再進行數據解封裝處理，如果校驗失敗則按照下述重發機制進行重發。
3．4 錯誤檢測與重發機制
    綜合考慮協議實現的簡單性和數據收發的可靠性，決定采用停等協議進行數據收發，過程如下：
    發送方發送一幀數據幀后，設置一個最長等待時間，等待接收對方的確認幀或拒絕幀，若收到確認幀則發送下一幀；若收到拒絕幀或者在超時時間內未收到確認幀或拒絕幀，則重發當前幀，因等待超時而重發的幀要設置超時指示位。當連續收到拒絕幀三次或連續超時重發三次，則認為對端不可達，取消當前幀的發送，上報錯誤給應用層。
    接收方收到數據幀后，當超時指示位為0時，如果校驗正確，則發送確認幀，并處理此幀，如果校驗錯誤，則發送拒絕幀，不處理該幀；當超時指示位為1時，說明對方未正確收到確認幀或拒絕幀，如果上次非重發幀的校驗結果是正確的，則該幀實際上已經處理過，直接發送確認幀即可；如果上次非重發幀的校驗結果是錯誤的，則根據校驗結果正常處理該幀。

4 鏈路層實現
    鏈路層采用C++語言實現，以便于代碼在各模塊程序中復用。應用層數據發送和接收流程如圖2，圖3所示。

5 結語
      鏈路層的作用是可靠地把應用層數據發送到對端設備，但如果僅僅是這樣，應用程序使用起來并不是很方便，如果使用面向對象編程的方法，把鏈路層代碼封裝在一個類中，向應用程序提供一些較為簡單的功能接口，如發送數據，接收數據，檢測對端是否可達等，就可以很好地解決易用性問題。另外當數據發送失敗時，應當以返回值或事件方式通知應用程序，當有應用層數據需要處理時，最好以回調函數或事件方式激活應用層處理程序，以避免應用程序低效的循環檢測。通過在協議設計和協議實現兩個方面同時進行優化，該協議在實際應用過程中表現出極好的可靠性和一定的通用性，可供參考借鑒。