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51单片机通信协议.docx
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2022-11-10
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单片机通信协议
现在大部分的仪器设备都要求能过通过上位机软件来操作,这样方便调试,利
于操作。其中就涉及到通信的过程。在实际制作的几个设备中,笔者总结出了通信
程序的通用写法,包括上位机端和下位机端等。
1.自定义数据通信协议
这里所说的数据协议是建立在物理层之上的通信数据包格式。所谓通信的物
理层就是指我们通常所用到的 RS232、RS485、红外、光纤、无线等等通信方式。
在这个层面上,底层软件提供两个基本的操作函数:发送一个字节数据、接收一个字
节数据。所有的数据协议全部建立在这两个操作方法之上。
通信中的数据往往以数据包的形式进行传送的,我们把这样的一个数据包称作
为一帧数据。类似于网络通信中的 TCPIP 协议一般,比较可靠的通信协议往往包含
有以下几个组成部分:帧头、地址信息、数据类型、数据长度、数据块、校验码、
帧尾。
帧头和帧尾用于数据包完整性的判别,通常选择一定长度的固定字节组成,要
求是在整个数据链中判别数据包的误码率越低越好。减小固定字节数据的匹配机会,
也就是说使帧头和帧尾的特征字节在整个数据链中能够匹配的机会最小。通常有两
种做法,一、减小特征字节的匹配几率。二、增加特征字节的长度。通常选取第一
种方法的情况是整个数据链路中的数据不具有随即性,数据可预测,可以通过人为选
择帧头和帧尾的特征字来避开,从而减小特征字节的匹配几率。使用第二种方法的
情况更加通用,适合于数据随即的场合。通过增加特征字节的长度减小匹配几率,虽
然不能够完全的避免匹配的情况,但可以使匹配几率大大减小,如果碰到匹配的情况
也可以由校验码来进行检测,因此这种情况在绝大多说情况下比较可靠。
地址信息主要用于多机通信中,通过地址信息的不同来识别不同的通信终端。
在一对多的通信系统中,可以只包含目的地址信息。同时包含源地址和目的地址则
适用于多对多的通信系统。
数据类型、数据长度和数据块是主要的数据部分。数据类型可以标识后面紧
接着的是命令还是数据。数据长度用于指示有效数据的个数。
校验码则用来检验数据的完整性和正确性。通常对数据类型、数据长度和数
据块三个部分进行相关的运算得到。最简单的做法可是对数据段作累加和,复杂的
也可以对数据进行 CRC 运算等等,可以根据运算速度、容错度等要求来选取。
2.上位机和下位机中的数据发送
物理通信层中提供了两个基本的操作函数,发送一个字节数据则为数据发送的
基础。数据包的发送即把数据包中的左右字节按照顺序一个一个的发送数据而已。
当然发送的方法也有不同。
在单片机系统中,比较常用的方法是直接调用串口发送单个字节数据的函数。
这种方法的缺点是需要处理器在发送过程中全程参与,优点是所要发送的数据能够
立即的出现在通信线路上,能够立即被接收端接收到。另外一种方法是采用中断发
送的方式,所有需要发送的数据被送入一个缓冲区,利用发送中断将缓冲区中的数据
发送出去。这种方法的优点是占用处理器资源小,但是可能出现需要发送的数据不
能立即被发送的情况,不过这种时延相当的小。对于 51 系列单片机,比较倾向于采
用直接发送的方式,采用中断发送的方式比较占用 RAM 资源,而且对比直接发送来说
也没有太多的优点。以下是 51 系列单片机中发送单个字节的函数。
v oid SendBy te(unsigned char ch)
{
SBUF = ch;
while(TI == 0);
TI = 0;
}
上位机中关于串口通信的方式也有多种,这种方式不是指数据有没有缓冲的问
题,而是操作串口的方式不同,因为 PC 上数据发送基本上都会被缓冲后再发送。对
于编程来说操作串口有三种方式,一、使用 windows 系统中自带的串口通信控件,这
种方式使用起来比较简单,需要注意的是接收时的阻塞处理和线程机制。二、使用
系统的 API 直接进行串口数据的读取,在 windows 和 linux 系统中,设备被虚拟为文
件,只需要利用系统提供的 API 函数即可进行串口数据的发送和读取。三、使用串
口类进行串口操作。在此只介绍 windows 环境下利用串口类编程的方式。
CSerialPort 是比较好用的串口类。它提供如下的串口操作方法:
v oid WriteToPort(char* string, int len);
串口初始化成功后,调用此函数即可向串口发送数据。为了避免串口缓冲所带
来的延时,可以开启串口的冲刷机制。
3.下位机中的数据接收和协议解析
下位机接收数据也有两种方式,一、等待接收,处理器一直查询串口状态,来判
断是否接收到数据。二、中断接收。两种方法的优缺点在此前的一篇关于串口通信
的文章中详细讨论过。得出的结论是采用中断接收的方法比较好。
数据包的解析过程可以设置到不同的位置。如果协议比较简单,整个系统只是
处理一些简单的命令,那么可以直接把数据包的解析过程放入到中断处理函数中,当
收到正确的数据包的时候,置位相应的标志,在主程序中再对命令进行处理。如果协
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春哥111
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