CN114257645A - 一种嵌入式中模块化通讯系统及其通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通讯领域，特别涉及一种嵌入式中模块化通讯框架系统及其通讯方法，包括：接收数据缓存模块、数据解析模块、数据打包模块和发送数据缓存模块；接收数据缓存模块，用于储存原始数据；数据解析模块依次读取、识别并验证原始数据，并将验证合格的原始数据中的指令码和正文数据上传至数据应用层；数据应用层对正文数据执行相关操作，形成发送数据；数据打包模块将发送数据进行打包，并存入发送数据缓存模块中储存。本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯框架系统及其通讯方法适用于多种嵌入式系统；使用的协议格式适用于多种场合；具有缓存机制，解决了匹配发送与接收之间的速度差异问题；数据解析模块能够完整性检验数据的完整性和正确性。

Description

一种嵌入式中模块化通讯系统及其通讯方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，特别涉及一种嵌入式中模块化通讯系统及其通讯方法。

背景技术

通讯功能是嵌入式系统中经常使用的功能之一，用于进行数据的收发操作，支持系统和外界设备通信。当前无较为通用的嵌入式通讯框架，导致在需要通讯功能时，需要重新进行设计和研发，这样的重复开发成本较高并且效率低下，而且容易引入故障与缺陷。

目前使用较多的嵌入式数据通讯框架运行流程为：

(1)通过硬件接口接收数据，并根据协议格式解析数据；

(2)获取解析数据，并进行数据校验；根据指令内容，数据应用层执行相关操作；

(3)数据应用层发送操作后的数据，并将数据进行打包，通过硬件向外发送。

现有的嵌入式数据通讯框架实现通讯功能的方式，有如下几个缺陷：

1)通用性不强，在不同项目应用通讯功能时，需要重新研究设计，浪费研究成本，且容易引入缺陷。

2)缺少对接收速度与解析速度之间以及发送速度与打包速度之间的匹配设计，当接收速度大于解析速度时，或打包速度大于发送速度时，将会造成数据丢失。

3)仅包含校验和数据校验，安全可靠性较差。

4)一般只支持字节型类型数据。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有数据通讯框架通用性不强、不具备缓存机制造成的数据丢失、校验方式可靠性差和只支持数据型数据的缺点，从而提出一种嵌入式中模块化通讯系统。为解决上述技术问题，本发明提供了一种嵌入式中模块化通讯系统，具有较强通用性，并使用缓存机制，匹配发送与接收之间的速度差异问题，还包括一种通用协议格式和校验单元，保证数据收发的可靠性，并且支持不同数据类型的收发。本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯系统，所述通讯系统包括：数据接收模块、数据应用层和数据发送模块；所述通讯系统还包括：接收数据缓存模块、数据解析模块、数据打包模块和发送数据缓存模块；其中，

所述接收数据缓存模块，用于储存数据接收模块发送的原始数据；

基于通信协议格式，所述数据解析模块，用于依次读取、识别并验证所述原始数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码；还用于将验证合格的所述原始数据转换为预设的第一数据类型，并将所述指令码和正文数据上传至数据应用层；

基于所述指令码，所述数据应用层，用于对所述正文数据执行相关操作，形成发送数据；

基于所述通信协议格式，所述数据打包模块，利用应用函数依次存入所述发送数据的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码，用于将所述发送数据转换成预设的第二数据类型并进行打包；还用于将打包的发送数据存入发送数据缓存模块中；

所述发送数据缓存模块，用于存储所述打包的发送数据；

所述数据发送模块，用于读取并发送所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据。

作为上述系统的一种改进，所述接收数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针；其中，所述头指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的头部，所述尾指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的尾部。

所述发送数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针，其中，所述头指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的头部，所述尾指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的尾部。

作为上述系统的一种改进，所述通讯协议格式为：依次排列的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码。

为实现本发明的再一目的，本发明提供的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，基于上述通讯系统实现，包括以下步骤：

步骤1)通过接收数据缓存模块，储存数据接收模块发送的原始数据；

步骤2)通过所述数据解析模块，基于所述通信协议格式，依次读取、识别并验证所述原始数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码；将验证合格的所述原始数据中的所述指令码和正文数据上传至数据应用层；

步骤3)通过所述数据应用层，基于所述指令码，对所述正文数据执行相关操作，形成发送数据；

步骤4)通过所述数据打包模块，基于所述通信协议格式，利用应用函数依次存入所述发送数据的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码，并进行打包；将打包的发送数据存入发送数据缓存模块中；

步骤5)通过所述发送数据缓存模块，存储所述打包的发送数据；

步骤6)通过所述数据发送模块，读取所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据，并向外发送。

作为上述方法的一种改进，所述接收数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针，其中，所述头指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的头部，所述尾指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的尾部。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)将储存数据接收模块发送的原始数据写入所述接收数据缓存模块中尾指针指向位置；

步骤1-2)将所述尾指针移动到步骤1-1)写入的原始数据的尾部。

作为上述方法的一种改进，所述数据解析模块读取所述接收数据缓存模块中原始数据的步骤包括：

所述数据解析模块从所述接收数据缓存模块中头指针指向位置开始读取原始数据；

将所述头指针移动到所述接收数据缓存模块中所述数据解析模块读取的原始数据的尾部，并删除所述接收数据缓存模块中读取的原始数据。

作为上述方法的一种改进，所述发送数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针；其中，

所述头指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的头部，所述尾指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的尾部。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)将所述打包的发送数据写入所述发送数据缓存模块中尾指针指向位置；

步骤5-2)将所述尾指针移动到所述写入发送数据缓存模块的打包的发送数据的尾部。

作为上述方法的一种改进，通过所述数据发送模块，读取所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据的具体步骤包括：

所述数据发送模块从所述发送数据缓存模块中头指针指向位置开始读取所述打包的发送数据；

将所述头指针移动到所述发送数据缓存模块中所述数据发送模块读取的打包的发送数据的结尾处，并删除所述发送数据缓存模块中读取的打包的发送数据。本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯系统及其通讯方法，是一种通用性较强的模块化通讯架构，适用于多种嵌入式系统，移植适用灵活方便；使用的协议格式通用性较强，适用于多种场合；具有缓存机制，包括对接收速度与解析速度之间以及发送速度与打包速度之间的匹配设计，解决了匹配发送与接收之间的速度差异问题，缓解了数据丢失的情况；本发明还包括数据解析模块，对协议每个部分都能完成检验，包含对目标地址、源地址、指令码、长度、正文内容数据的检验，能够完整性检验数据的完整性和正确性，保证数据收发的可靠性；数据打包被包装成一个应用函数，只需要输入指令码，指令长度，指令内容即可完成打包与发送功能；数据解析模块和数据打包模块还具备数据转换功能，使本发明适用于多种类型的数据。

附图说明

图1为本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯系统的示意图；

图2为本发明的接收数据缓存模块和发送数据缓存模块存入数据的示意图；

图3为本发明的接收数据缓存模块和发送数据缓存模块取出数据的示意图；

图4为本发明的步骤2)的流程图；

图5为本发明的步骤5)的流程图；

图6为本发明的通讯协议格式示意图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。

本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯系统使用通讯功能时的应用逻辑如图图1所示，主要由数据解析、数据打包、接收数据缓存和发送数据缓存四部分模块组成，逻辑图中上层的数据应用、下层的数据接收和数据发送不属于本次设计的范围，这三部分需要根据项目实际情况进行设计，其中，数据接收模块：配置芯片中用于数据接收的相关硬件，接收原始数据，并传至接收数据缓存中。本次设计不涵盖该部分，此模块需要根据实际使用的芯片说明书，进行配置设计；接收数据缓存模块：用于存储接收到的数据，介于数据接收模块与数据解析模块之间，以解决数据接收与数据解析之间的速度差异问题。数据解析模块：用于识别数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文内容和校验码，并验证正文内容是否完整正确，将合格的指令码和正文内容上传至数据应用层；数据应用层：根据指令码执行相关应用；本次设计不涵盖该部分，已超出通讯功能概念，在使用时需根据项目需求进行单独设计；数据打包模块：用于将要发送的指令码和指令内容按照协议格式进行打包，并将数据存入发送数据缓存中；发送数据缓存模块：用于存储将要发送的数据，介于数据发送与数据打包之间，用于解决数据发送与数据打包之间的速度差异问题；数据发送模块：配置芯片中用于数据发送的相关硬件，取出发送数据缓存中的数据，向外发送数据，本次设计不涵盖该部分，此模块需要根据实际使用的芯片说明书，进行配置设计。

本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯系统，所述通讯系统包括：数据接收模块、数据应用层和数据发送模块；所述通讯系统还包括：接收数据缓存模块、数据解析模块、数据打包模块和发送数据缓存模块；其中，

所述接收数据缓存模块，用于储存数据接收模块发送的原始数据；

基于通信协议格式，所述数据解析模块，用于依次读取、识别并验证所述原始数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码；还用于将验证合格的所述原始数据转换为预设的第一数据类型，并将所述指令码和正文数据上传至数据应用层；

基于所述指令码，所述数据应用层，用于对所述正文数据执行相关操作，形成发送数据；

基于所述通信协议格式，所述数据打包模块，利用应用函数依次存入所述发送数据的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码，用于将所述发送数据转换成预设的第二数据类型并进行打包；还用于将打包的发送数据存入发送数据缓存模块中；

所述发送数据缓存模块，用于存储所述打包的发送数据；

所述数据发送模块，用于读取并发送所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据，其中发送是指向本系统之外发送，即将本系统中的打包的发送数据发送至另一个设备。

数据解析模块和数据打包模块包括：数据类型转换功能，能够支持数据类型的转换工作，即将其他类型数据转换为字节型数据或将字节型数据转换为其他类型数据的功能；本领域人员应当理解，数据转换方法为本领域常规技术手段，因此，不在本专利中详细描述。

具体地，数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针；其中，所述头指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的头部，所述尾指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的尾部。

所述发送数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针，其中，所述头指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的头部，所述尾指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的尾部。

如图6所示，所述通讯协议格式为：依次排列的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码。本发明通讯协议格式中，目的地址为数据接收单元的地址；源地址为数据发送单元的地址；指令码为一种指示命令的标识码；长度为命令码正文长度；正文数据为命令码的内容；校验位为用于校验整条数据正确性。

本发明提供的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，基于上述通讯系统实现，包括以下步骤：

步骤1)通过接收数据缓存模块，储存数据接收模块发送的原始数据；

步骤2)通过所述数据解析模块，基于所述通信协议格式，依次读取、识别并验证所述原始数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码；将验证合格的所述原始数据中的所述指令码和正文数据上传至数据应用层。如图4所示，所述数据解析模块用于在接收数据缓存中，获取正确可用的指令码和指令内容；其程序运行之前需要根据实际通信协议格式对缓存数据进行解析。该解析功能被包装成一个函数，使用时只需指定接收数据缓存的地址，即可完成对缓存内容的解析。

步骤3)通过所述数据应用层，基于所述指令码，对所述正文数据执行相关操作，形成发送数据；

步骤4)通过所述数据打包模块，基于所述通信协议格式，利用应用函数依次存入所述发送数据的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码，并进行打包；将打包的发送数据存入发送数据缓存模块中；

步骤5)通过所述发送数据缓存模块，存储所述打包的发送数据；

步骤6)通过所述数据发送模块，读取所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据，并向外发送。如图5所示，本部分程序用于将要发送内容进行打包，仅需输入指令码、指令内容、指令长度，即可按照特定协议格式进行打包。该功能被包装成一个应用函数，只需要输入指令码，指令长度，指令内容即可完成打包与发送功能。

具体地，所述接收数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针，其中，所述头指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的头部，所述尾指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的尾部。

具体地，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)将储存数据接收模块发送的原始数据写入所述接收数据缓存模块中尾指针指向位置；

步骤1-2)将所述尾指针移动到步骤1-1)写入的原始数据的尾部。

具体地，所述数据解析模块读取所述接收数据缓存模块中原始数据的步骤包括：

所述数据解析模块从所述接收数据缓存模块中头指针指向位置开始读取原始数据；

将所述头指针移动到所述接收数据缓存模块中所述数据解析模块读取的原始数据的尾部，并删除所述接收数据缓存模块中读取的原始数据。

具体地，所述发送数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针；其中，

所述头指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的头部，所述尾指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的尾部。

具体地，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)将所述打包的发送数据写入所述发送数据缓存模块中尾指针指向位置；

步骤5-2)将所述尾指针移动到所述写入发送数据缓存模块的打包的发送数据的尾部。

具体地，通过所述数据发送模块，读取所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据的具体步骤包括：

所述数据发送模块从所述发送数据缓存模块中头指针指向位置开始读取所述打包的发送数据；

将所述头指针移动到所述发送数据缓存模块中所述数据发送模块读取的打包的发送数据的结尾处，并删除所述发送数据缓存模块中读取的打包的发送数据。

由于单片机的串口通讯功能中FIFO或DMA的自带数据缓存空间大小有限，当通讯较快时，数据可能将缓存区域填满，导致缓存溢出，可能造成数据丢失。如图2-3所示，本发明的接收数据缓存模块和发送数据缓存模块分别定义为一个环形数据队列缓存，其中，缓存队列是一个环形的缓存，有头指针和尾指针，头指针用于指向缓存中有效数据的开始处，尾指针用于指向缓存中有效数据的结尾处，当来新数据时，数据在尾指针处写入，成功写入后，将位置指针移动到新写入数据的结尾处，保证尾指针永远指向有效数据的结尾处；读数据时，在头指针数据处读，成功读取数据后，认为刚刚被读取的数据已经失效，头指针向后移动到后面有效的数据，保证头指针指向有效数据的开始处，便于移植和测试。

本发明使用环形队列数据结构实现接收与发送数据的缓存功能，用于解决上层应用与数据通讯之间速度不匹配的问题。接收数据缓存模块和发送数据缓存模块主要包括以下功能：

1.初始化队列功能；

2.获取队列数据个数功能；

3.获取队列数据容量功能；

4.删除队列数据功能；

5.写队列数据功能；

6.读队列数据功能。

从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的一种嵌入式中模块化通讯框架系统及其通讯方法是一种通用性较强的模块化通讯架构，适用于多种嵌入式系统，移植适用灵活方便；使用的协议格式通用性较强，适用于多种场合；具有缓存机制，包括对接收速度与解析速度之间以及发送速度与打包速度之间的匹配设计，解决了匹配发送与接收之间的速度差异问题，缓解了数据丢失的情况；本发明还包括数据解析模块，对协议每个部分都能完成检验，包含对目标地址、源地址、指令码、长度、正文内容数据的检验，能够完整性检验数据的完整性和正确性，保证数据收发的可靠性；数据打包被包装成一个应用函数，只需要输入指令码，指令长度，指令内容即可完成打包与发送功能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种嵌入式中模块化通讯系统，所述通讯系统包括：数据接收模块、数据应用层和数据发送模块；其特征在于，所述通讯系统还包括：接收数据缓存模块、数据解析模块、数据打包模块和发送数据缓存模块；其中，

所述接收数据缓存模块，用于储存数据接收模块发送的原始数据；

基于通信协议格式，所述数据解析模块，用于依次读取、识别并验证所述原始数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码；还用于将验证合格的所述原始数据转换为预设的第一数据类型，并将所述指令码和正文数据上传至数据应用层；

基于所述指令码，所述数据应用层，用于对所述正文数据执行相关操作，形成发送数据；

基于所述通信协议格式，所述数据打包模块，利用应用函数依次存入所述发送数据的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码，用于将所述发送数据转换成预设的第二数据类型并进行打包；还用于将打包的发送数据存入发送数据缓存模块中；

所述发送数据缓存模块，用于存储所述打包的发送数据；

所述数据发送模块，用于读取并发送所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据。

2.根据权利要求1所述的嵌入式中模块化通讯系统，其特征在于，

所述接收数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针；其中，所述头指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的头部，所述尾指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的尾部；

所述发送数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针，其中，所述头指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的头部，所述尾指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的尾部。

3.根据权利要求1所述的嵌入式中模块化通讯系统，其特征在于，所述通讯协议格式为：依次排列的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码。

4.一种嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，基于权利要求1-3任一所述通讯系统实现，包括以下步骤：

步骤1)通过接收数据缓存模块，储存数据接收模块发送的原始数据；

步骤2)通过所述数据解析模块，基于所述通信协议格式，依次读取、识别并验证所述原始数据中的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码；将验证合格的所述原始数据中的所述指令码和正文数据上传至数据应用层；

步骤3)通过所述数据应用层，基于所述指令码，对所述正文数据执行相关操作，形成发送数据；

步骤4)通过所述数据打包模块，基于所述通信协议格式，利用应用函数依次存入所述发送数据的目标地址、源地址、指令码、数据长度、正文数据和校验码，并进行打包；将打包的发送数据存入发送数据缓存模块中；

步骤5)通过所述发送数据缓存模块，存储所述打包的发送数据；

步骤6)通过所述数据发送模块，读取所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据，并向外发送。

5.根据权利要求4所述的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，其特征在于，所述接收数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针，其中，所述头指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的头部，所述尾指针指向所述接收数据缓存模块中原始数据的尾部。

6.根据权利要求5所述的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)将储存数据接收模块发送的原始数据写入所述接收数据缓存模块中尾指针指向位置；

步骤1-2)将所述尾指针移动到步骤1-1)写入的原始数据的尾部。

7.根据权利要求5所述的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，其特征在于，所述数据解析模块读取所述接收数据缓存模块中原始数据的步骤包括：

所述数据解析模块从所述接收数据缓存模块中头指针指向位置开始读取原始数据；

将所述头指针移动到所述接收数据缓存模块中所述数据解析模块读取的原始数据的尾部，并删除所述接收数据缓存模块中读取的原始数据。

8.根据权利要求4所述的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，其特征在于，所述发送数据缓存模块为环形数据列队结构，包括：头指针和尾指针；其中，

所述头指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的头部，所述尾指针指向所述发送数据缓存模块中打包的发送数据的尾部。

9.根据权利要求8所述的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)将所述打包的发送数据写入所述发送数据缓存模块中尾指针指向位置；

步骤5-2)将所述尾指针移动到所述写入发送数据缓存模块的打包的发送数据的尾部。

10.根据权利要求8所述的嵌入式中模块化通讯系统的通信方法，其特征在于，通过所述数据发送模块，读取所述发送数据缓存模块中的打包的发送数据的具体步骤包括：

所述数据发送模块从所述发送数据缓存模块中头指针指向位置开始读取所述打包的发送数据；

将所述头指针移动到所述发送数据缓存模块中所述数据发送模块读取的打包的发送数据的结尾处，并删除所述发送数据缓存模块中读取的打包的发送数据。

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