CN105573958A - 一种基于rs-422串行总线技术的数据可靠交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法，结合连续自动重传请求(Auto？Repeat？reQuest，ARQ)协议，提出了一种新颖的基于RS-422串行总线技术的数据交互及校验方法。上位机与下位机之间存在应答机制及重复帧校验，而且，上位机不必接收到下位机发送的应答帧后，可以连续发送若干个数据帧，在发送数据帧的同时将其副本保存在发送缓存中，上位机接收到应答帧后删除缓存中对应的数据帧副本。直到未收到应答帧的数据帧积累到一定数量后，再停下来重发缓存中的数据帧副本。可明显提高了信道的利用率和通信速度。本发明针对嵌入式系统的特征，上位机与下位机通信的数据帧中增加信息类型的识别码，可同时实现嵌入式系统多时序，参数，任务指令的通信。

Description

一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法。

背景技术

在嵌入式系统中，通常将等待调试或接收数据的目标系统称为下位机，而与其对应的调试或发送数据的目标系统称为上位机。上位机通过通信来实现对下位机的控制。

嵌入式系统在航空航天领域中得到了广泛的应用。航空航天领域中的上位机与下位机一般通过RS-422串行总线技术实现通信，通过通用异步接收/发送装置缓存进行数据传输，通用异步接收/发送装置的缓存结构是采用先入先出队列(FirstInputFirstOutput，FIFO)实现。传输数据时，在需要传输的数据头处添加固定指向数据(例如“00”)作为帧头，表明该数据为一个新的需要传输的数据的开始，在数据尾处用添加固定指向数据(例如“FF”)作为帧尾，表明该数据已完整传输。

但是，由于固定指向数据(例如“00”、“FF”)为十六进制数，当需要传输的数据中出现与固定指向数据相同的数据时，系统会认为数据已经传输完毕或有新的数据帧需要传输，造成通信错误。且航空航天领域应用场合存在复杂的电磁环境，串行总线在传输过程中容易受到外界干扰导致丢帧现象，使传输数据的完整性受到破坏。如果一旦出现传输错误，会导致严重的系统故障。因此，现有技术中的数据传输方法具有局限性。

随着数字处理器技术的发展，嵌入式系统的控制规律日益复杂、控制变量日益增多、控制精度要求越来越高。要求上位机与下位机可同时实现多状态的交互，在保证通信可靠性的基础上尽可能的提高通信速度。

为解决通信中易受干扰的问题。现有技术中，一般通过采用较低的波特率来降低的电平变化频率，从而实现削弱干扰影响，减少上位机与下位机通讯中错误的目的。但是较低的波特率会降低数据单位传输量，将影响系统整体的动态性能，而且这种做法对于提高通信可靠性的效果也很有限。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法。

技术方案

一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法，其特征在于：上位机与下位机通信的数据帧格式依次排列为：帧头、帧标签、帧类型、帧长度、帧信息、帧校验和帧尾；所述帧头为双帧头，第一个帧头用来表明该数据为一个新的需要传输的数据的开始，第二个帧头来校验，以防数据中偶然出现与第一个帧头相同的数据而被下位机误认为新的数据帧；所述帧标签：前段字节表示帧计数，后段字节表示时间标签构成以表明帧的唯一性；所述帧类型包括：参数、时序和指令，用于区分数据帧的类别；所述帧标签：前段字节表示帧计数，后段字节表示时间标签构成以表明帧的唯一性；所述帧长度：数据区的字节数加上固定字节数；所述帧信息：上位机与下位机具体的通信内容；所述帧校验：对发送的数据进行校验，检验数据传输是否出现错误；所述帧尾：表明该数据已完整传输；上位机与下位机的数据交互步骤如下：

步骤1：上位机编写帧信息并选择帧类型，按照数据帧格式添加帧头和帧尾，计算帧信息长度在帧长度格式位添加帧长度，将当前系统时间添加于帧标签位上，循环冗余检查帧标签、帧类型及帧信息的数据，并将得到的结果作为帧校验数据，完成数据帧的完整拼接；

步骤2：上位机完成所有数据帧的拼接后对数据帧进行发送，同时上位机构建发送缓存，将发送的数据帧副本保存在发送缓存中；

步骤3：下位机接收到数据帧后，首先按照协议对帧头进行校验，如果帧头校验未通过，则丢弃接收到数据；如果通过，则对接收的数据进行循环冗余检查，其结果与接收到的帧校验数据进行CRC-32校验；

步骤4：当CRC-32校验通过后，下位机向上位机反馈应答帧，表示数据帧已经收到，上位机接收到应答帧后，删除缓存中的对应的数据帧副本；如果CRC-32校验未通过，则丢弃接收到的数据，不向上位机反馈应答帧；所述应答帧中主要返回数据帧中的帧标签；

步骤5：下位机在CRC-32校验后，通过检查是否已经接收到相同的帧标签进行重复帧校验，如果重复帧校验通过，将该数据帧的帧标签保存在下位机中；如果下位机中已经存在相同的帧标签，则表明已经接收到该数据帧，则将其丢弃，开始接收新的数据帧；

步骤6：以上三个检验都通过后，下位机按照帧类型解析数据帧，如果帧类型为时序或参数，则将其添加到对应的链表中；如果为指令，则执行相应的任务；

步骤7：重复步骤1～步骤6；当发送完所有数据帧后，检查发送缓存是否为空，如果为空，则结束发送，如果不为空，则将发送缓存中的数据帧发送出去，直至其为空后，结束发送。

当缓存未被存满时，上位机发送完一帧数据后，不用等待下位机的应答帧，继续发送下一帧数据；如果缓存被存满，则暂停发送新的数据帧，将缓存中的数据再次重新发送出去后，再发送新的数据帧。

有益效果

本发明提出的一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法，结合连续自动重传请求(AutoRepeatreQuest，ARQ)协议，提出了一种新颖的基于RS-422串行总线技术的数据交互及校验方法。本发明方法的上位机与下位机之间存在应答机制，及重复帧校验，提高了通信的可靠性。而且，上位机不必接收到下位机发送的应答帧后，再发送下一数据帧。而是可以连续发送若干个数据帧，在发送数据帧的同时将其副本保存在发送缓存中，上位机接收到应答帧后删除缓存中对应的数据帧副本。直到未收到应答帧的数据帧积累到一定数量后，再停下来重发缓存中的数据帧副本。可明显提高了信道的利用率和通信速度。本发明针对嵌入式系统的特征，上位机与下位机通信的数据帧中增加信息类型的识别码，可同时实现嵌入式系统多时序，参数，任务指令的通信。

本发明能够达到如下效果：

1、上位机与下位机之间增加应答机制，下位机采用重复帧校验，提高了通信的可靠性；

2、使用连续ARQ协议，提高了上位机与下位机的通信速度及信道利用率；

3、上位机与下位机通信中增加信息类型的识别码，可同时实现多时序、多参数、及任务指令的通信。

附图说明

图1：一般方法的通信数据帧格式

图2：本发明的通信数据帧格式

图3：上位机发送数据帧示意图

图4：下位机接收数据帧示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一般的上位机与下位机通信方法，传输数据时，在需要传输的数据头处添加帧头，表明该数据为一个新的需要传输的数据的开始，在数据尾处用添加帧尾，表明该数据已完整传输，以此实现上位机与下位机的通信。一般上位机与下位机中的数据帧格式如图1所示。

传统的通信方式显然不能实现多种类型数据的通信。为满足发动机燃油供应系统多种类型数据的通信需求，及实现在较强电磁干扰的环境中可靠通信的目的。

本发明重新设计了上位机与下位机通信的数据帧格式，具体数据帧格式如图2所示。其中各字段的含义如下，帧头：本发明的帧头为双帧头，第一个帧头用来表明该数据为一个新的需要传输的数据的开始，第二个帧头来校验，以防数据中偶然出现与第一个帧头相同的数据而被下位机误认为新的数据帧；帧标签：前段字节表示帧计数，后段字节表示时间标签构成，表明帧的唯一性；帧类型包括：参数、时序和指令，用于区分数据帧的类别；帧长度：数据区的字节数加上固定字节数；帧信息：上位机与下位机具体的通信内容；帧校验：对发送的数据进行校验，检验数据传输是否出现错误；帧尾与一般方法中帧尾的意义一样，表明该数据已完整传输。

当使用者需要通过上位机对下位机进行指令控制或下载时序/参数时，使用者根据实际控制需求，按照图2中的通信数据帧格式编写通信的帧信息，及选择对应的帧类型，上位机根据自动添加帧头、帧尾、帧信息、帧长度，对包括帧标签、帧类型、帧长度及帧信息在内的数据进行循环冗余检查，将得到的结果作为帧校验数据。然后通过连续ARQ协议将数据帧发送给下位机，实现通信。整个过程涉及到数据帧的解析、校验及重发技术。下面分别对上位机和下位机的工作过程作出详细说明：

对于上位机：

一、使用者编写帧信息、选择帧类型后，上位机按照协议添加帧头、帧尾，计算使用者编写的帧信息长度得到帧长度，按照帧计数及当前系统时间添加帧标签，对包括帧标签、帧类型及帧信息在内的数据进行循环冗余检查，并将得到的结果作为帧校验数据，完成数据帧的完整拼接；

二、上位机完成所有数据帧的拼接后，对数据帧进行发送。上位机中构建了一个发送缓存，上位机在发送数据帧的同时，将发送的数据帧副本保存在发送缓存中。下位机接收到数据帧后向上位机返回应答帧(应答帧中主要返回数据帧中的帧标签)，上位机接收到应答帧后，删除缓存中对应的数据帧副本。只要缓存未被存满，上位机发送完一帧数据后，不用等待下位机的应答帧，继续发送下一帧数据；如果缓存被存满，则暂停发送新的数据帧，将缓存中的数据再次重新发送出去后，再发送新的数据帧。由于减少了等待应答帧的时间，提高了整个信道的利用率及通信速度。

三、当发送完所有数据帧后，检查发送缓存是否为空，如果为空，则结束发送，如果不为空，则将发送缓存中的数据帧发送出去，直至其为空后，结束发送。图3为上位机发送数据帧示意图。

对于下位机：

一、下位机接收到数据帧后，首先按照协议对帧头进行校验，如果帧头校验未通过，则丢弃接收到数据；如果通过，则对接收的数据进行循环冗余检查，其结果与接收到的帧校验数据进行比较。即：进行CRC-32校验；

二、如果CRC-32校验通过，下位机向上位机反馈应答帧，表示数据帧已经收到，上位机接收到应答帧后，删除缓存中的对应的数据帧副本；如果CRC-32校验未通过，则丢弃接收到的数据，不向上位机反馈应答帧；

三、为防止接收到相同的数据帧，下位机在CRC-32校验后，通过检查是否已经接收到相同的帧标签进行重复帧校验，如果重复帧校验通过，将该数据帧的帧标签保存在下位机中；如果下位机中已经存在相同的帧标签，则表明已经接收到该数据帧，则将其丢弃，开始接收新的数据帧。

四、以上三个检验都通过后，下位机按照帧类型解析数据帧，如果帧类型为时序或参数，则将其添加到对应的链表中；如果为指令，则执行相应的任务。

图4为下位机接收数据帧示意图。

通过以上过程，可达到预期发明目的。

具体实施例：

使用者需要通过上位机向下位机下载5组参数，及8条时序。下载完毕后，命令下位机解除触发。

使用者将时序及参数编写好后，上位机对下载的第一组参数依次添加第一个0xEB，第二个帧头0x90，帧标签(0x01+当前时间)，选择帧类型为0x1A，按照实际编写的参数长度计算出帧长度，并对数据帧进行循环冗余检查，结果作为帧校验中的数据，最后添加帧尾0xFF，形成一个完整的数据帧。(本实例中约定：第一个帧头为0xEB，第二个帧头为0x90，帧尾为0xFF，参数、时序、指令对应的帧类型分别为0x1A、0x2B、0x3C。)然后按照约定使用同样的方法对其他参数帧、时序数据帧及指令数据帧添加帧头、帧类型、帧长度、帧校验、帧尾，形成完整数据帧。

上位机中构建的发送缓存能保存4个数据帧副本。上位机在发送前3个参数数据帧的同时，将其将其副本保存在发送缓存中。发送完前3个参数数据帧后，发送缓存肯定能够继续存储数据帧副本，即缓存未满，上位机则继续发送第4个参数帧，并保存第4个参数帧副本。

如果在发送第5个参数帧前，接收到应答帧后，按照应答帧中返回的帧标签删除对应的数据帧，上位机可继续发送第5个参数帧；如果未接收到应答帧，缓存不能继续存储，则将缓存中的数据帧再次全部发送，直到接收到应答帧后，再发送第5个参数帧。

当发送完所有参数帧后，检查发送缓存是否为空，如果为空，则结束发送，如果不为空，则将发送缓存中的数据帧发送出去，直至其为空后，再发送时序帧。

按照以上过程完成8条时序及指令的发送。

下位机接收到第1个帧数据后，校验其第二个帧头是否为0x90，如果不是，则丢弃接收到数据；如果是，则对接收的数据进行循环冗余检查，其结果与接收到的帧校验数据进行比较。

如果CRC-32校验通过，下位机向上位机反馈应答帧，表示该第1个参数帧已经收到，上位机接收到第1个参数帧的应答帧后，删除缓存中第1个参数帧的副本；如果CRC-32校验未通过，则丢弃接收到的数据。

下位机在CRC-32校验后，下位机中没有保存有任何帧标签，重复帧校验必然通过，将第1个帧标签保存。解析数据帧可得其帧类型为0x1A，为参数帧，将其添加进该参数对应的链表中保存。第1个数据帧接收完毕。开始接收下一个数据帧。

接收其他数据帧的过程与此类似，只是在进行重复帧校验时，下位机中已经保存有帧标签，如果出现重复帧，下位机则丢弃该数据帧。

下位机收到剩余4个参数帧及8个时序帧后，下位机将其保存在对应的链表中；接收到指令帧后，下位机执行对应的指令。

Claims (2)

1.一种基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法，其特征在于：上位机与下位机通信的数据帧格式依次排列为：帧头、帧标签、帧类型、帧长度、帧信息、帧校验和帧尾；所述帧头为双帧头，第一个帧头用来表明该数据为一个新的需要传输的数据的开始，第二个帧头来校验，以防数据中偶然出现与第一个帧头相同的数据而被下位机误认为新的数据帧；所述帧标签：前段字节表示帧计数，后段字节表示时间标签构成以表明帧的唯一性；所述帧类型包括：参数、时序和指令，用于区分数据帧的类别；所述帧标签：前段字节表示帧计数，后段字节表示时间标签构成以表明帧的唯一性；所述帧长度：数据区的字节数加上固定字节数；所述帧信息：上位机与下位机具体的通信内容；所述帧校验：对发送的数据进行校验，检验数据传输是否出现错误；所述帧尾：表明该数据已完整传输；上位机与下位机的数据交互步骤如下：

步骤1：上位机编写帧信息并选择帧类型，按照数据帧格式添加帧头和帧尾，计算帧信息长度在帧长度格式位添加帧长度，将当前系统时间添加于帧标签位上，循环冗余检查帧标签、帧类型及帧信息的数据，并将得到的结果作为帧校验数据，完成数据帧的完整拼接；

步骤2：上位机完成所有数据帧的拼接后对数据帧进行发送，同时上位机构建发送缓存，将发送的数据帧副本保存在发送缓存中；

步骤3：下位机接收到数据帧后，首先按照协议对帧头进行校验，如果帧头校验未通过，则丢弃接收到数据；如果通过，则对接收的数据进行循环冗余检查，其结果与接收到的帧校验数据进行CRC-32校验；

步骤4：当CRC-32校验通过后，下位机向上位机反馈应答帧，表示数据帧已经收到，上位机接收到应答帧后，删除缓存中的对应的数据帧副本；如果CRC-32校验未通过，则丢弃接收到的数据，不向上位机反馈应答帧；所述应答帧中主要返回数据帧中的帧标签；

步骤5：下位机在CRC-32校验后，通过检查是否已经接收到相同的帧标签进行重复帧校验，如果重复帧校验通过，将该数据帧的帧标签保存在下位机中；如果下位机中已经存在相同的帧标签，则表明已经接收到该数据帧，则将其丢弃，开始接收新的数据帧；

步骤6：以上三个检验都通过后，下位机按照帧类型解析数据帧，如果帧类型为时序或参数，则将其添加到对应的链表中；如果为指令，则执行相应的任务；

步骤7：重复步骤1～步骤6；当发送完所有数据帧后，检查发送缓存是否为空，如果为空，则结束发送，如果不为空，则将发送缓存中的数据帧发送出去，直至其为空后，结束发送。

2.根据权利要求1所述基于RS-422串行总线技术的数据可靠交互方法，其特征在于：当缓存未被存满时，上位机发送完一帧数据后，不用等待下位机的应答帧，继续发送下一帧数据；如果缓存被存满，则暂停发送新的数据帧，将缓存中的数据再次重新发送出去后，再发送新的数据帧。