嵌入式环境下串行帧通信的设计与实现

摘要：在嵌入式环境下，因设备间通信距离较远，多采用串行通信方式，但许多串行通信协议只适用于协议设计时的应用系统环境，不具有通用性，且有些协议存在通信失败的风险。通过分析设备间的通信需求，设计了一种分层的串行帧通信协议，该协议简单可靠，能适应多种系统环境。在嵌入式Linux系统环境下，该协议在实际应用系统中运行稳定。
关键词：串行通信；协议设计；嵌入式Linux系统；应用层；链路层

嵌入式系统之间的通信通常有两种方式：并行通信和串行通信。并行方式传输数据速度快，但占用的通信线多，传输数据的可靠性随距离的增加而下降，只适用于近距离的数据传送。在远距离数据通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信线少、成本低等优点。目前RS 232串口是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，它应用于点对点通信模式，实际使用中多采用最简单的三线方式连接，即两端设备的串口只连接收、发、地三根线，即可实现简单的全双工通信。通信协议是两端设备数据交换的语言，是通信可靠性的保证，在保证功能的前提下，通信协议应该力求简洁。

1 系统通信需求
本系统主要完成野外环境下时间间隔测量和瞬态数据采集的功能，系统内各模块均选用三星公司的S3C2440芯片为处理器，操作系统使用嵌入式Linux。模块间通信的主要任务为控制命令的下发与应答、工作状态和采集数据的上报等，对通信的可靠性要求较高，无数据加密需求。
根据系统软硬件情况设定串口工作参数如下：115 200波特率，8位数据位，1位停止位，奇校验、无流控。波特率的设置需要综合考虑所选用芯片的串口性能、串口连接线长度、传输数据的最大帧长和应用过程中的误码率等；无流控则是由于串口使用三线方式连接。

2 通信协议的分层结构
为保证不同设备之间通信协议的通用性，降低实现的复杂度，将通信协议为分上下两层：上层为应用层，规范了设备间应用程序通信使用的应用层数据格式；下层为链路层，提供物理线路数据的发送与接收，应用层数据拆分与合并、封装与解封装以及错误检测功能。协议应用层部分根据各设备功能的不同使用不同的数据格式，而链路层部分则完全通用。应用层通信过程如图1所示。

发方设备按照约定的应用层数据格式构造应用层数据，交由链路层进行数据的拆分、封装、校验，再将生成的数据以数据帧的形式发送至物理线路；收方设备则从物理线路上接收数据，进行帧定位、解封装、错误检测、数据合并等，最后将应用层数据上交给应用层处理。收发方设备的应用层可根据用户需求的变化，不断修改应用层数据格式，并利用链路层提供的功能接口完成通信功能，故该通信协议设计的关键在于链路层，以下着重阐述链路层的设计与实现。

3 链路层设计
链路层主要包含以下功能：数据拆分与合并、数据封装与解封装、数据帧的发送和接收以及错误检测与重发机制。
3．1 数据拆分与合并
数据拆分即是把过长的应用层数据分成几部分，用多帧数据帧发送，接收端收到后再进行数据合并，上交给应用层处理。过长的应用层数据如果不进行拆分，可能导致数据帧超出设计的缓冲区大小，也可能造成发送时间太长导致超时错误。这个长度需要根据实际需求合理设置，当数据帧传输出现错误时，这帧数据就需要重新传输，长度太大将造成较大开销；长度太小，封装时产生的开销字节所占比例又太高，影响传输效率。
3．2 数据封装与解封装
数据封装即是以一定格式把拆分后的应用层数据加上功能指示、数据长度等字段，以便对方收到后知道如何处理。数据封装格式及功能指示字段含义如表1，表2所示。