CN111651256A - 一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法，包括数据同步任务模块和串口中断模块。数据同步任务模块负责进行有效数据帧的识别，串口中断模块负责进行接收串行数据和计算接收的数据长度。该方法利用FreeRTOS操作系统的任务通知功能，进行中断服务程序和数据同步任务的同步。由于数据同步任务的优先级是所有任务中最高的，基于FreeRTOS的抢占式调度算法，一旦数据同步任务获取到信号量，将会抢占式优先执行。

Description

一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法。

背景技术

随着无人机功能和任务的复杂化，飞控计算机与其他航电设备间有大量的数据交互。为保证系统的可靠性和稳定性，飞控与各设备间有特定的通信协议，各设备的通信格式与数据各不相同，如何提取有效的数据帧并进行校验和解码是设计重点。为保证通信的实时性和减少系统开销，通常采取中断方式接收数据，把数据存放到环形缓存区中。当定时读取环形缓存区中的数据时，为了保证有效识别数据，通常采取拼帧或者建立软环形缓存的方法搜索通信帧的帧头和帧尾。如果串行数据经常同步失败，会造成飞控数据更新不及时，甚至通信中断。

当通信数据中含有与帧头相同的数据时，拼帧的方法很容易引起数据帧同步失败。软环形缓存的方法相当于一定程度上重复了中断保存数据的工作，加大了系统的开销。同时，上述两种同步机制在CPU接收数据到处理数据环节上都存在一定的延时，串行数据同步的实时性有待提高。

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FreeRTOS的串行通信数据同步方法。

技术方案

一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法，其特征在于基于FreeRTOS操作系统，针对不同串行端口设计了不同的数据同步任务和通用中断服务程序，其中数据同步任务是所有任务中优先级最高的；步骤如下：

步骤1：航电设备向飞控计算机定时发送串行通信数据，飞控计算机通用异步收发器接收串行通信数据，DMA控制器将串行数据从串口接收寄存器搬运到缓存数组中；当数据接收完成后，如果通用异步收发器检测总线上出现一个字节的高电平，该事件将触发空闲中断，进入到中断服务程序；

步骤2：在中断服务程序中，根据事先设置的DMA传输数据长度减去DMA寄存器剩余的传输数据长度，得到接收数据的长度；释放任务通知量给数据同步任务，从而实现中断与实时任务的同步；

步骤3：数据同步任务获取到信号量，CPU第一时间执行该任务，开始识别有效数据帧；首先进行接收数据长度的判断，如果数据长度与数据通信协议规定的数据长度一致，则进行帧头的判断；否则，同步数据失败；

步骤4：由于DMA控制器将完整的通信数据帧按照发送的顺序搬移到缓存数组，根据数据通信协议帧头的位置，取出缓存数组对应位置的字节，进行帧头的比较；若该字节与帧头一致，则进行其他帧头与校验和的判断；否则，同步数据失败；

步骤5：根据数据通信协议其他帧头以及校验和的位置，分别取出缓存数组对应位置的字节，与其他帧头、校验和比较，校验和按照通信协议的规定方法进行计算，如果取出的字节分别与其他帧头、计算得到的检验和相等，则数据同步成功；否则，数据同步失败。

有益效果

本发明提出的一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法，与现有方法相比的优点在于：

1)现有方法常通过拼帧或者建立软环形缓存的方法逐个字节搜素帧头和帧尾，进行有效数据帧的识别，本发明同步方法相当于将完整的通信数据帧按照数据发送的顺序搬移到缓存数组，只需根据通信协议帧头、帧尾的顺序提取缓存数组对应位置的字节，判断是否与帧头、帧尾数据一致，不必再搜素帧头、帧尾，数据帧识别方法简单高效。

2)现有方法常通过定时周期任务进行串行数据的读取和同步，但设备间晶振频率的差异，会导致设备间各个CPU时间计算的不同，周期定时读取数据的方法存在数据同步延迟一拍甚至多拍的缺陷，本发明方法当串行数据接收完成触发空闲中断后，利用FreeRTOS自带的任务通知功能进行串口中断服务程序与数据同步任务的同步，将接收数据的消息第一时间通知CPU。由于数据同步任务优先级最高，CPU第一时间执行数据同步任务，进行有效数据的提取,实时性高。

3)该同步方法同样适用于具有其他嵌入式实时操作系统、空闲中断、DMA功能的软硬件平台。

附图说明

图1为典型的串行通信帧的帧格式。

图2为本发明的串行通信数据同步流程图。

图3为本发明串行通信帧示意图。

图4为本发明串行通信帧识别示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的在于提供一种串行通信数据同步方法，当串行数据接收完成后，能够立即进行通信数据的同步。同时，不必通过拼帧或者软环形缓存的方法搜索帧头、帧尾，能够直接识别数据帧，该方法系统开销小，提高数据同步的实时性。

本发明的技术方案：一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法，包括数据同步任务模块和串口中断模块。数据同步任务模块负责进行有效数据帧的识别，串口中断模块负责进行接收串行数据和计算接收的数据长度。该方法利用FreeRTOS操作系统的任务通知功能，进行中断服务程序和数据同步任务的同步。由于数据同步任务的优先级是所有任务中最高的，基于FreeRTOS的抢占式调度算法，一旦数据同步任务获取到信号量，将会抢占式优先执行。包括下列几个部分：

1：首先创建了多个数据同步实时任务和周期性的定时实时任务。任务优先级最大为31，设置数据同步任务的优先级比周期性的定时任务高，专门用于串行通信帧数据提取和解码。

2：创建通用的串口中断服务函数，设置中断触发方式为空闲中断，使能STM32芯片的DMA功能，并设置DMA传输数据的长度。当串行数据接收完成后，STM32芯片的通用异步收发器在检测到一个字节的高电平后触发空闲中断，进入中断服务函数。与此同时，STM32DMA控制器将接收的数据从接收寄存器直接搬运到事先设定的缓存数组中，无需CPU任何操作，减轻了CPU的负载。

3：为保证中断的实时性，中断服务函数仅执行两条语句，一是根据通过设置DMA传输数据的长度减去DMA寄存器剩余的传输数据项数，得到接收数据的长度。二是释放任务通知量给对应的串行端口同步任务。利用FreeRTOS的任务通知功能，进行串口中断服务程序和任务的同步。

4：数据同步任务一旦获取任务通知量，CPU将会第一时间运行该任务，进行有效数据帧的识别。首先判断接收的数据长度与通信协议的数据长度是否一致，如果一致，则根据通信协议帧头、帧尾的顺序，找到缓存数组对应位置存放的数据，判断是否与帧头、帧尾数据一致，如果条件都满足，则串行数据同步成功。否则，同步失败。

数据同步任务一直在等待获取中断服务程序释放的任务通知量，一旦获取任务通知量，由于该任务优先级比定时任务高，当两者抢占CPU资源时，数据同步任务优先执行。采用FreeRTOS自带的任务通知功能进行任务与中断间、任务间的通信，比采用二值信号量要快45％,而且由于任务通知的使用无需创建队列，更加节省RAM内存空间。

为了检验该串行通信数据同步方法有无丢帧，通过数据帧的帧计数是否连续判断数据帧有无丢包。如果有丢包数据，通过调试串口打印丢包数据。经试验证明，该方法无丢包，同步效果好，实时性高。

参见图1，常见的串行通信帧包含帧头、帧类型、帧数据、校验码。帧同步就是：接收通信帧、找合法的帧头、判有效性、提取并判指令类型等。

基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法如图2所示，流程具体如下：

步骤1：通用异步收发器接收串行通信数据，DMA控制器将串行数据从串口接收寄存器搬运到缓存数组中。当数据接收完成后，如果通用异步收发器检测总线上出现一个字节的高电平，该事件将触发空闲中断，进入到中断服务程序。

步骤2：在中断服务程序中，一是根据事先设置的DMA传输数据长度减去DMA寄存器剩余的传输数据长度，得到接收数据的长度。二是，释放任务通知量给数据同步任务，从而实现中断与实时任务的同步。

步骤3：数据同步任务获取到信号量，CPU第一时间执行该任务，开始识别有效数据帧。首先进行接收数据长度的判断，如果数据长度与数据通信协议规定的数据长度一致，则进行帧头的判断；否则，同步数据失败。

步骤4：由于DMA控制器将完整的通信数据帧按照发送的顺序搬移到缓存数组，可根据数据通信协议帧头的位置，取出缓存数组对应位置的字节，进行帧头的比较。若该字节与帧头一致，则进行其他帧头与校验和的判断；否则，同步数据失败。

步骤5：根据数据通信协议其他帧头以及校验和的位置，分别取出缓存数组对应位置的字节，与其他帧头、校验和比较，校验和按照通信协议的规定方法进行计算，如果取出的字节分别与其他帧头、计算得到的检验和相等，则数据同步成功；否则，数据同步失败。

为了更清晰的阐述该方法，列举实例进一步解释。参见图3，假定某数据帧总长为8个字节，帧头为第1、2字节(0xEB、0x90)，帧计数为第3字节，数据从1～255循环，校验码为最后一个字节，为前7个字节的累加和低8位。参见图4，当触发中断服务程序后，将接收的8个字节放到缓存数组buffer[8]中，然后在数据同步实时任务中依次比较buffer[0]是否等于0xEB、buffer[1]是否等于0x90，buffer[7]是否等于前7个字节的累加和低8位。如果上述条件都符合，则同步成功，对通信帧的有效数据进行解码；反之，同步失败。同步成功后，判断通信帧中的帧计数是否连续，从而判断串行通信数据有无丢包。

Claims (1)

1.一种基于FreeRTOS的串行通信数据同步方法，其特征在于基于FreeRTOS操作系统，针对不同串行端口设计了不同的数据同步任务和通用中断服务程序，其中数据同步任务是所有任务中优先级最高的；步骤如下：

步骤1：航电设备向飞控计算机定时发送串行通信数据，飞控计算机通用异步收发器接收串行通信数据，DMA控制器将串行数据从串口接收寄存器搬运到缓存数组中；当数据接收完成后，如果通用异步收发器检测总线上出现一个字节的高电平，该事件将触发空闲中断，进入到中断服务程序；

步骤2：在中断服务程序中，根据事先设置的DMA传输数据长度减去DMA寄存器剩余的传输数据长度，得到接收数据的长度；释放任务通知量给数据同步任务，从而实现中断与实时任务的同步；

步骤3：数据同步任务获取到信号量，CPU第一时间执行该任务，开始识别有效数据帧；首先进行接收数据长度的判断，如果数据长度与数据通信协议规定的数据长度一致，则进行帧头的判断；否则，同步数据失败；

步骤4：由于DMA控制器将完整的通信数据帧按照发送的顺序搬移到缓存数组，根据数据通信协议帧头的位置，取出缓存数组对应位置的字节，进行帧头的比较；若该字节与帧头一致，则进行其他帧头与校验和的判断；否则，同步数据失败；

步骤5：根据数据通信协议其他帧头以及校验和的位置，分别取出缓存数组对应位置的字节，与其他帧头、校验和比较，校验和按照通信协议的规定方法进行计算，如果取出的字节分别与其他帧头、计算得到的检验和相等，则数据同步成功；否则，数据同步失败。

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