1串行通信介绍
所谓串行通信，就是将数据分成一个个的二进制位（bit），然后通过一条线路或一个通信信道，按照规定的规程逐位依次进行传输，实现计算机与计算机或计算机与外部设备之间的通信（数据交换）。串行通信因其占用硬件资源少、可大幅度降低通信线路的成本、简化通信设备、应用灵活、易维护等诸多优点，在工业控制、电力通信、智能仪表等领域得到了广泛应用[1]。
目前，有EIARS232、EIARS485、电流环、CAN等串行通信方式。EIARS232是全双工的通信模式，可以保证短距离点对点的高速传输；EIARS485可实现较长距离下的多点互联通信；CAN属于现场总线的范畴，采用多主机制，改善了在集散控制系统下的主从通信模式[2]。随着应用需求的复杂化，对串行通信的通信效率及性能的要求越来越高，所以如何制定一套切实可行、简单易用，又能大幅度提高串行通信效率的通信协议，如何在PC端、嵌入式系统端构建一个高效的串行数据处理的应用程序，是亟待解决的一大问题。
面向各个领域不同的应用需求，串行通信的网络拓扑结构也多种多样，如总线型、环型、星型等。本文以加油站信息管理系统为例，介绍串行通信协议的制定以及高效通信数据处理的实现。
2串行通信协议的设计
2.1系统总体构架
加油站信息管理系统的结构如图1所示。本系统中，每台加油机为一个应用节点（即图中的控制点），通过半双工RS485总线连接至通信控制器。在该RS485网络中，通信控制器为主机（Master），各加油机为从机（Slave），构成一个主从通信的网络架构。在多种串行接口标准中，RS485接口以其结构简单、通信速率高、传输距离远、使用的传输线较少、在长距离通信时比较经济等诸多优点，在集散式控制装置中得到了广泛应用。RS485采用差分电平传输，只需两根信号线，可以方便地增加控制节点数目[3]。
图1加油站信息管理系统结构图
通信控制器通过全双工RS232总线与管理PC机进行数据交互。RS232总线为全双工通信总线，为了保证实时性和高效性，管理PC机和通信控制器这个层面的数据交互采用互为主机的通信方式，以此构成一个集散控制系统[4]。
各个加油站信息管理系统中，控制点的数目可能较大，所以对数据通信的实时性提出了较高的要求。采用RS485总线作为底层通信接口。与点对点的通信方式相比，任何节点均能侦听到总线上传输的任何数据，这对串行通信数据接收处理也提出了很高的要求。每一个网络节点既要可靠、稳定地完成其自身的控制工作，又要准确、高效地在RS485总线上接收到发送至本节点的通信数据帧。
2.2通信协议格式的定义
2.2.1协议帧格式
（1） 主机下发数据帧格式
起始标志数据（5AH＋A5H）＋长度（从命令字开始到校验和为止的字节数）＋命令字HIGH＋命令字LOW＋机号＋参数＋1字节校验和（从命令字开始到校验码前一字节的逻辑异或和）
（2） 从机上传数据帧格式
起始标志数据（9BH＋B9H）＋长度（从命令字开始到校验和为止的字节数）＋命令字HIGH＋命令字LOW＋机号＋参数＋1字节校验和（从命令字开始到校验码前一字节的逻辑异或和）[5]
2.2.2协议帧解释
起始标志数据：采用一字节或多字节作为帧起始标志（该部分的字节定义应尽量与帧数据的其他部分完全不同）。接收方在接收错误后，接收数据时总是先寻找帧头。帧头的排他性将有利于提高各通信节点的接收效率。
长度：应尽量采用短帧，以避免各种干扰因素对通信效率的影响。可根据实际应用情况，在“长度”后增加“长度反码”或“长度补码”等校验数据，对长度进行更为严格的校验[6]。
命令字：根据实际通信应用需求，可应用1～2字节的通信命令字。
机号：所需接收方的地址识别号。可根据实际应用需求进行修改，如增加源地址、目的地址等。
参数：应用数据。考虑到数据的安全性，可针对不同的应用对该部分的数据进行加密处理。
校验和：数据校验，可根据应用需求选择不同的校验方式[7]。
3高效串行通信方式的实现
3.1通信控制器发送数据的处理机制
通信控制器的发送数据流程如图2所示。通信控制器首先判断最高优先级的命令字是否需要发送。如果需要，则进入该命令字的发送流程；如果没有，接着判断次高优先级的命令字是否需要发送。如果需要则进入发送流程，根据命令字的优先级由高到低的顺序依次判断要发送的命令字。当没有通信数据命令字发送时，通信控制器会发送轮询命令字。此外，在发送完一帧数据后，通信控制器会开启接收超时定时器T2，如果通信控制器在超时时间内收到应答命令数据帧，则进入相应数据处理流程，同时关闭T2。如果系统长时间未收到应答命令数据帧，则重新发送该命令字的数据，并记录发送该命令字的次数。当发送的命令字的帧超过10次仍未收到相应应答命令，则视为该命令字和PC机的通信失败，把通信流程重新调整到轮询命令字状态下。
图2通信控制器数据发送流程
发送的代码程序放到单片机的串行中断服务程序中来处理[8]，代码如下：
void interrupt_rs485（void） interrupt 4 {
if（TI==true） {
TI=false;//清除发送标志位
if（g_b_send_over==false） {//判断本帧数据是否发完
if（g_uc_tran_number<=g_uc_send_msg[2]） {//如果本帧数据发送的字节数小于本帧长度，继续发送
TB8=（!get_even_bit（g_uc_send_msg[g_uc_tran_number]））;//校验
SBUF=g_uc_send_msg[g_uc_tran_number];//g_uc_send_msg[]为发送数据帧缓冲
g_uc_tran_number=g_uc_tran_number+1;//发送的字节个数加1
}
else{
init_rece（）;
}
}
}
}
extern void init_rece（void） {//初始化重新接收
g_uc_rece_time_out=0;//接收数据超时计数器清0
g_uc_rece_number=0;//接收数据字节数
g_b_rece_beg=false;//接收数据是否找到帧头标志
g_b_rece_over=false;//1帧数据是否接收完毕标志
g_b_rece_chuli_flag=false;//接收的1帧数据是否处理完标志
g_uc_tran_number=0;//发送1帧数据字节数计数
g_b_send_over=true;//发送1帧完毕标志
rts=RS485_RECEIVE;//CPU接收引脚置1
}
3.2通信控制器接收数据的处理机制
在通信控制器的接收端，应保持串行中断的优先级最高。这样才能保证系统时刻可以和PC处于通信的状态。具体的处理机制如下：
① 找到帧头（本协议是2个字节）。找到第1个帧头，就把接收步骤的全部标志S赋值1，把接收字节的内容放到接收数据缓冲区中。接着找第2个帧头，找到帧头后把内容顺序放到接收数据缓冲区中。继续判断命令字是不是协议中规定的合法命令字。如果是，再根据命令字所对应的长度来判断该帧数据的合法性。因为在制定通信协议时就规定了特定命令字所对应的数据长度，这两点约束条件就可以保证接收数据是合法的，从而提高了系统的稳定性[12]。如果命令字和其对应的长度值合法，则把S值赋值为3，进入下一步的数据处理步骤。
② 在一帧数据接收开始时，开启接收超时定时器。如果在超时时间内未收到一帧完整的数据，则视为本次通信流程失败，重新初始化串行通信，等待下次通信。
③ 如果一帧数据完全接收正确并成功，则关闭接收定时器，停止响应串行中断，以防止处理的过程中有新的接收数据影响有效数据的处理。处理完毕，使能串行中断，打开接收定时器，清除接收步骤S为0，根据处理过程中标志位的改变情况继续和PC进行相应的数据通信[9]。通信控制器数据接收流程如图3所示。
图3通信控制器数据接收流程
编者注：具体实现代码略。
4总结
本文设计了一套完整的通信协议，通信控制器的发送端始终处于通信状态，能以很快的速度响应系统协议规定的命令字及其数据的发送。在通信控制器的接收端，采用逐字节处理的方式，通过设定全局变量来确定处理接收数据帧的步骤，细化了处理接收数据的过程，保证了数据高效、可靠的传输。本系统已经应用在上海宝钢集团加油站信息管理系统中。实验结果证明，按照此协议进行的通信数据准确，通信高效可靠，自适应能力强，具有在相关领域推广的价值。