一种串口高效收发思路及方案
来源:jsp 发布时间:2017-09-21 分享至微信

1. 简介


串口由于使用简单,价格低廉,配合RS485芯片可以实现长距离、抗干扰能力强的局域网络而被广泛使用。随着产品功能的增多,需要处理的任务也越来越复杂,系统任务也越来越需要及时响应。绝大多数的现代单片机(ARM7、Cortex-M3)串口都带有一定数量的硬件FIFO,本文将介绍如何使用硬件FIFO来减少接收中断次数,提高发送效率。在此之前,先来列举一下传统串口数据收发的不足之处:


每接收一个字节数据,产生一次接收中断。不能有效的利用串口硬件FIFO,减少中断次数。


应答数据采用等待发送的方法。由于串行数据传输的时间远远跟不上CPU的处理时间,等待串口发送完当前字节再发送下一字节会造成CPU资源浪费,不利于系统整体响应(在1200bps下,发送一字节大约需要10ms,如果一次发送几十个字节数据,CPU会长时间处于等待状态)。


应答数据采用中断发送。增加一个中断源,增加系统的中断次数,这会影响系统整体稳定性(从可靠性角度考虑,中断事件应越少越好)。


针对上述的不足之处,将结合一个常用自定义通讯协议,提供一个完整的解决方案。


2. 串口FIFO


串口FIFO可以理解为串口专用的缓存,该缓存采用先进先出方式。数据接收FIFO和数据发送FIFO通常是独立的两个硬件。串口接收的数据,先放入接收FIFO中,当FIFO中的数据达到触发值(通常触发值为1、2、4、8、14字节)或者FIFO中的数据虽然没有达到设定值但是一段时间(通常为3.5个字符传输时间)没有再接收到数据,则通知CPU产生接收中断;发送的数据要先写入发送FIFO,只要发送FIFO未空,硬件会自动发送FIFO中的数据。写入发送FIFO的字节个数受FIFO最大深度影响,通常一次写入最多允许16字节。上述列举的数据跟具体的硬件有关,CPU类型不同,特性也不尽相同,使用前应参考相应的数据手册。


3. 数据接收与打包


FIFO可以缓存串口接收到的数据,因此我们可以利用FIFO来减少中断次数。以NXP的lpc1778芯片为例,接收FIFO的触发级别可以设置为1、2、4、8、14字节,推荐使用8字节或者14字节,这也是PC串口接收FIFO的默认值。这样,当接收到大量数据时,每8个字节或者14个字节才会产生一次中断(最后一次接收除外),相比接收一个字节即产生一个中断,这种方法串口接收中断次数大大减少。


将接收FIFO设置为8或者14字节也十分简单,还是以lpc1778为例,只需要设置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。


接收的数据要符合通讯协议规定,数据与协议是密不可分的。通常我们需要将接收到的数据根据协议打包成一帧,然后交由上层处理。下面介绍一个自定义的协议帧格式,并给出一个通用打包成帧的方法。


自定义协议格式如图3-1所示。


 


图3-1 公司常用通讯协议格式


 


图3-1 公司常用通讯协议格式


帧首:通常是3~5个0xFF或者0xEE


地址号:要进行通讯的设备的地址编号,1字节


命令号:对应不同的功能,1字节


长度:数据区域的字节个数,1字节


数据:与具体的命令号有关,数据区长度可以为0,整个帧的长度不应超过256字节


校验:异或和校验(1字节)或者CRC16校验(2字节),本例使用CRC16校验


下面介绍如何将接收到的数据按照图3-1所示的格式打包成一帧。


3.1 定义数据结构


1. typedef struct {


2. uint8_t * dst_buf; //指向接收缓存


3. uint8_t sfd; //帧首标志,为0xFF或者0xEE


4. uint8_t sfd_flag; //找到帧首,一般是3~5个FF或EE


5. uint8_t sfd_count; //帧首的个数,一般3~5个


6. uint8_t received_len; //已经接收的字节数


7. uint8_t find_fram_flag; //找到完整帧后,置1


8. uint8_t frame_len; //本帧数据总长度,这个区域是可选的


9. }find_frame_struct;


3.2 初始化数据结构,一般放在串口初始化中


1. /**


2. * @brief 初始化寻找帧的数据结构


3. * @param p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量


4. * @param dst_buf:指向帧缓冲区


5. * @param sfd:帧首标志,一般为0xFF或者0xEE


6. */


7. void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd)


8. {


9. p_find_frame->dst_buf=dst_buf;


10. p_find_frame->sfd=sfd;


11. p_find_frame->find_fram_flag=0;


12. p_find_frame->frame_len=10;


13. p_find_frame->received_len=0;


14. p_find_frame->sfd_count=0;


15. p_find_frame->sfd_flag=0;


16. }


3.3 数据打包程序


1. /**


2. * @brief 寻找一帧数据 返回处理的数据个数


3. * @param p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量


4. * @param src_buf:指向串口接收的原始数据


5. * @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数


6. * @param sum_len:帧缓存的最大长度


7. * @return 本次处理的数据个数


8. */


9. uint32_t find_one_frame(find_frame_struct * p_find_frame,const uint8_t * src_buf,uint32_t data_len,uint32_t sum_len)


10. {


11. uint32_t src_len=0;


12.


13. while(data_len--)


14. {


15. if(p_find_frame ->sfd_flag==0)


16. { //没有找到起始帧首


17. if(src_buf[src_len++]==p_find_frame ->sfd)


18. {


19. p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len++]=p_find_frame ->sfd;


20. if(++p_find_frame ->sfd_count==5)


21. {


22. p_find_frame ->sfd_flag=1;


23. p_find_frame ->sfd_count=0;


24. p_find_frame ->frame_len=10;


25. }


26. }


27. else


28. {


29. p_find_frame ->sfd_count=0;


30. p_find_frame ->received_len=0;


31. }


32. }


33. else


34. { //是否是"长度"字节? Y->获取这帧的数据长度


35. if(7==p_find_frame ->received_len)


36. {


37. p_find_frame->frame_len=src_buf[src_len]+5+1+1+1+2; //帧首+地址号+命令号+数据长度+校验


38.


39. if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)


40. { //这里处理方法根据具体应用不一定相同


41. MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("数据长度超出缓存!n"));


42. p_find_frame->frame_len= sum_len;


43. }


44. }


45.


46. p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len++]=src_buf[src_len++];


47.


48. if(p_find_frame ->received_len==p_find_frame ->frame_len)


49. {


50. p_find_frame ->received_len=0; //一帧完成


51. p_find_frame ->sfd_flag=0;


52. p_find_frame ->find_fram_flag=1;


53.


54. return src_len;


55. }


56. }


57. }


58. p_find_frame ->find_fram_flag=0;


59. return src_len;


60. }


使用例子:


定义数据结构体变量:


find_frame_structslave_find_frame_srt;


定义接收数据缓冲区:


#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128


uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];


在串口初始化中调用结构体变量初始化函数:


init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);


在串口接收中断中调用数据打包函数:


find_one_frame(&slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);


其中,rec_buf是串口接收临时缓冲区,data_len是本次接收的数据长度。


4. 数据发送


前文提到,传统的等待发送方式会浪费CPU资源,而中断发送方式虽然不会造成CPU资源浪费,但又增加了一个中断源。在我们的使用中发现,定时器中断是几乎每个应用都会使用的,我们可以利用定时器中断以及硬件FIFO来进行数据发送,通过合理设计后,这样的发送方法即不会造成CPU资源浪费,也不会多增加中断源和中断事件。


需要提前说明的是,这个方法并不是对所有应用都合适,对于那些没有开定时器中断的应用本方法当然是不支持的,另外如果定时器中断间隔较长而通讯波特率又特别高的话,本方法也不太适用。公司目前使用的通讯波特率一般比较小(1200bps、2400bps),在这些波特率下,定时器间隔为10ms以下(含10ms)就能满足。如果定时器间隔为1ms以下(含1ms),是可以使用115200bps的。


本方法主要思想是:定时器中断触发后,判断是否有数据要发送,如果有数据要发送并且满足发送条件,则将数据放入发送FIFO中,对于lpc1778来说,一次最多可以放16字节数据。之后硬件会自动启动发送,无需CPU参与。


下面介绍如何使用定时器发送数据,硬件载体为RS485。因为发送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引脚,需跟硬件密切相关,以下代码使用的硬件为lpc1778,但思想是通用的。


4.1 定义数据结构


1. /*串口帧发送结构体*/


2. typedef struct {


3. uint16_t send_sum_len; //要发送的帧数据长度


4. uint8_t send_cur_len; //当前已经发送的数据长度


5. uint8_t send_flag; //是否发送标志


6. uint8_t * send_data; //指向要发送的数据缓冲区


7. }uart_send_struct;


4.2 定时处理函数


1. /**


2. * @brief 定时发送函数,在定时器中断中调用,不使用发送中断的情况下减少发送等待


3. * @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址


4. * @param p:指向串口帧发送结构体变量


5. */


6. #define FARME_SEND_FALG 0x5A


7. #define SEND_DATA_NUM 12


8. static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p)


9. {


10. uint32_t i;


11. uint32_t tmp32;


12.


13. if(UARTx->LSR &(0x01<<6)) //发送为空


14. {


15. if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)


16. {


17. RS485ClrDE; // 置485为发送状态


18.


19. tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;


20. if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向发送FIFO填充字节数据


21. {


22. for(i=0;i 23. {


24. UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];


25. }


26. }


27. else


28. {


29. for(i=0;i 30. {


31. UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];


32. }


33. p->send_flag=0;


34. }


35. }


36. else


37. {


38. RS485SetDE;


39. }


40. }


41. }


其中,RS485ClrDE为宏定义,设置RS485为发送模式;RS485SetDE也为宏定义,设置RS485为接收模式。


使用例子:


定义数据结构体变量:


uart_send_struct uart0_send_str;


定义发送缓冲区:


uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];


根据使用的硬件串口,对定时处理函数做二次封装:


void uart0_send_data(void)


{


uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);


}


将封装函数uart0_send_data();放入定时器中断处理函数中;


在需要发送数据的地方,设置串口帧发送结构体变量:


uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len为要发送的数据长度


uart0_send_str.send_cur_len=0; //固定为0


uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf; //绑定发送缓冲区


uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; //设置发送标志


5. 总结


本文主要讨论了一种高效的串口数据收发方法,并给出了具体的代码实现。在当前处理器任务不断增加的情况下,提供了一个占用资源少,可提高系统整体性能的新的思路。


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