CN112153063A - 一种适用于感应耦合传输的通讯协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通讯协议技术领域，尤其涉及一种适用于感应耦合传输的通讯协议。一种适用于感应耦合传输的通讯协议，其特征在于，包括以下步骤：1)设置协议内容；2)起始位之后和数据帧结束之前进行超时检测；3)进行数据传输。本发明能够有效滤除空闲状态下的乱码，保留正常数据，将显著降低了感应耦合通信系统的丢帧率。

Description

一种适用于感应耦合传输的通讯协议

技术领域

本发明涉及通讯协议技术领域，尤其涉及一种适用于感应耦合传输的通讯协议。

背景技术

在海洋监测中，剖面观测是获取海洋观测数据的重要手段。目前国际上进行剖面测量的方法是采用传感器测量所需参数后把测量数据传输给存储终端。数据传输的方式主要有声通讯和感应耦合传输，其中感应耦合传输具有高可靠性应用最为广泛。

感应耦合传输技术基于电磁感应原理，使包塑钢缆的两端裸露在海水中作为电极，巧妙的利用海水的导电特性，将包塑钢缆和海水构成一个完成的闭合回路，水下传感器和水面接收器之间的单匝耦合线圈，成为数据通信的信道。CTD、海流计等通过感应传输通信的仪器与传输数据的包塑钢缆无直接连接，而是将包塑钢缆放入对接的两部分感应耦合磁环内，不需要破口进行电气连接，拆装方便，对钢缆无任何损坏。在测量的剖面里可以任意增减传感器，且安装的位置可以随意更换。水下传感器磁环的初级绕组被载测量数据的载波信号Ei所激励，则在钢缆与海水串联构成的单匝回路中感应出电流。该电流在水上终端磁环的次级绕组上感应出电动势Eo，Eo送到水上终端进行解调，获得水下仪器传输数据。在这种通讯原理中，由海水组成的仅为单回路，因此水下传感器磁环的变压器匝数比为NT1：1，而水上终端磁环的变压器的匝数比为1：NT2，同时两个变压器的磁芯均为半环，在连接缝隙处会产生一定漏磁。即使在源端使用了功率放大器，Ei电动势被放大到较高的数值，在传感器端产生的感生电动势Eo仍然比较微弱，同时，随着包塑钢缆长度的延长、海水等效电阻加大，另外在某些工程应用中，水下传感器数量增多，都会进一步降低输出端的感生电动势Eo。

在通讯过程中，源端会周期性驱动电动势Ei，形成一种连续且恒定的交变信号，即载波信号，再通过改变幅值、相位的方式，将被传输的数据耦合在载波中。接收端在接收到周期性载波的过程中，会不断的检测幅值相位的变化，进而将数据提取出来。由此完成由源端至接收端的数据通讯过程。

由于如上描述的种种原因，接收端输出的感生电动势Eo会被削减，或引入噪声。因此这种水下专用的通讯方式具有比较低的信噪比，很容易受到外界的干扰，在通讯的过程中，出现许多混乱的信息。

由于感应传输的信号幅度受到各方面的影响，接收终端在检测的时候无法采用绝对电平检测，而应该采用相对电平检测，这样在信号幅度减小的时候，仍然能够检出信息。这样就会出现一种现象：在信道空闲阶段，由于没有大幅度信号的存在，一些噪声信号可能被错误的解析，从而形成乱码。即在通讯空闲状态，更有可能出现乱码。

现有通用的通讯协议一般为Modbus或者命令行格式。

对于Modbus通讯协议来说，其使用时间超时作为数据帧的分割，认为一段连续的、不间断的数据流，即为完整的数据帧，一帧数据的开始和结束必须存在一段较长时间的空闲时间。因此这种通讯方式必然要求信道非常洁净，在没有数据传送的时候，不可以存在其他干扰数据。这样在一帧数据的启示阶段和终止阶段，才会形成较大的空闲时间间隔，从而被Modbus协议正确识别。如果信道中随机出现混乱数据，当这些数据恰巧出现在被传送数据帧的前后，且距离很近时，就会被Modbus误识别为正确数据，填充在数据的前后，从而导致这一帧数据的失效(数据产生错误，或者校验未通过被丢弃)。

另外一种常用的通讯协议是命令行格式，或者Command Line(CMD)。其特征是，使用指令和参数的方式传递信息，指令名通常是含有一定意义的单词或简称，而参数是对指令名的修饰或附加信息。所有数据均采用可见的ASCII码，指令名和参数之间以及参数与参数之间使用一些特殊字符隔开，常见的如空格、冒号、等号，末尾往往采用一些特殊的结束符，例如回车换行符。命令行这样的形式可以在一定程度上消除时间超时带来的不利影响，同时采用可见ASCII码可以部分剔除乱码的干扰，但是干扰造成的影响仍然无法彻底摆脱。如果乱码恰巧出现在一帧数据最前端，且正好为可见ASCII码，则很有可能与正常指令合并为一个单词，从而形成一个无法识别的指令，造成这一帧数据的损坏。同时这种命令行格式通常适用于用户直接输入，一般不带有校验部分，如果在信息传输过程中，一帧数据内部出现错误，很有可能被保留下来，对设备造成更大的影响。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种适用于感应耦合传输的通讯协议，能够有效滤除空闲状态下的乱码，保留正常数据，将显著降低了感应耦合通信系统的丢帧率。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种适用于感应耦合传输的通讯协议，包括以下步骤：

1)设置协议内容：表明数据帧开始的标志的起始位，使用两个字节，表明从机识别自身指令的标志的从机地址，占用一个字节，表明指示命令类型的功能码，表明指令的有效范围的起始地址和终止地址，起始地址和终止地址都为双字节，总共4个字节，表明指令的附加信息的数据位1至n，CRC校验位，占用两个字节；

2)起始位之后和数据帧结束之前进行超时检测，超时时间为该波特率下3.5个字符时间，若数据帧内部两个字节之间间隔超出3.5个字符时间，则认为该数据帧提前结束；

3)进行数据传输，流程如下：

31)由主机向所有从机发送控制命令及数据；

32)所有从机接收控制命令及数据，通过解码、CRC校验，判断该指令是否正确，正确的话检测从机地址位，当从机地址位正好为其对应的ID时，该从机才会对指令做出回复；

33)主机接到从机的回复后，经过解码、CRC校验判断该回复是否正确，正确的话进行数据的后续处理。

进一步的，所述主机仅为一台，其余均为从机。

进一步的，所述数据帧的各个部分除起始位外的其他部分不对数据范围做出限定，每一个字节取值可在0x00～0xFF之间。

作为优选，所述起始位为两个相连的字符“0xC3，0xA5”。

有益效果

本发明提供了一种适用于感应耦合传输的通讯协议，具备以下有益效果：

1、感应耦合传输系统信噪比较低，由噪声产生的乱码比较多，尤其是在信道空闲的状态下。该通信协议能够有效滤除空闲状态下的乱码，保留正常数据，将显著降低了感应耦合通信系统的丢帧率；

2、对数据帧的内部字节内容不做范围的限定，可以支持0x00～0xFF全部范围取值，因此通讯数据可以使用二进制表示，相比于可见ASCII码，降低了数据长度，极大提升了数据传输效率；

3、通过多字节起始位、超时检测、数据长度预估、CRC校验等多种手段，确保数据帧的完整性与正确性。同时避免乱码对于数据帧接收过程的影响；

4、内部带有从机地址位，可以用于总线式结构通讯；

5、规定了严格的数据收发流程，保证感应传输通讯有序进行；

6、仪器所有的功能均抽象为寄存器和位的概念，降低系统的复杂性。

附图说明

图1为本发明的数据帧的格式；

图2为本发明的功能码；

图3为本发明的主机指令发送流程图；

图4为本发明的从机指令接收与回复流程图。

具体实施方式：

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1

定义出适用于感应耦合传输的通讯协议。

数据帧格式如图1所示。

起始位是一帧数据开始的标志，一般为一个或多个字节联合组成。由于单个字节很有可能被乱码干扰，乱码中的数据可能恰巧为该字节，从而造成数据帧提前开始。在实验应用中，“0xC3，0xA5”两个相连的字符组合在乱码里出现的几率是最低的，因此使用这两个字节作为起始位。

从机地址占用一个字节，表示该数据帧通讯的对象是谁，一般范围为1～247。设备内部存储着ID号码，且只响应跟自己相关的通讯数据。另外总线主机将该字节设置为地址0，进行广播，在这种情况下，总线上所有的设备都需要执行此指令，但无需反馈任何信息，常见用于广播的指令，如校时、关机、统一设置某个参数等。

功能码表示该通讯要执行的动作，常见的功能码如图2所示。

仪器设备的所有功能均体现为寄存器或者位，寄存器存储参数、数据等，位用作状态、开关指示。

起始地址和终止地址，都为双字节，总共4个字节，表示的是要操作的目标个数。接收方在接收数据帧过程中，通过此部分信息可以预估整个数据帧长度，从而作为数据接收终止的一种标志。

数据位1～数据位n为要传递的数据内容。当功能码为读取类型时，主机发送出来的指令则不包含数据位内容，而从机返回数据需包含相关的内容。当功能码位写入类型时，主机发送出来的指令需包含要写入的数据，而从机返回数据无需包含相关内容。

CRC校验，占用两个字节。由于起始位时整个数据开始的标志，启动接收过程时已经得到验证，因此CRC校验的对象范围，只需要从“从机地址”开始至最末一位“数据位”即可。接收该数据帧的一方，将得到的数据重新计算CRC校验码，与数据帧内的校验码进行比较，如果相同则表示该数据帧没有错误。如果不同，则表明该数据帧内部出现错误，需要进一步处理(丢弃或重发)。

各个数据之间采用超时处理原则，超时时间为该波特率下3.5个字符时间。起始位之前和数据帧结束之后不进行超时检测，但是在数据中间采用超时检测，若数据帧内部两个字节之间间隔超出3.5个字符时间，则认为该数据帧提前结束。

整个感应传输通讯系统中，只允许一台主机，剩余所有设备均为从机。所有通讯过程均由主机发起，主机向其中一台从机发送指令(指令里面带有对应的地址位ID号)，所有的从机均会接收到该指令，通过解码、CRC校验等过程，判断该指令是否接收正确。而后检测从机地址位，只有正好等于该ID的从机才会对该指令做出回应。回应数据格式仍然遵循上述规范。主机接到从机的回复后，同样经过解码、CRC校验等过程，验证该回复是否正确。至此一个传输过程完成，如图3-4所示。

采用本传输协议，有以下好处：

1、感应耦合传输系统信噪比较低，由噪声产生的乱码比较多，尤其是在信道空闲的状态下。该通信协议能够有效滤除空闲状态下的乱码，保留正常数据，将显著降低了感应耦合通信系统的丢帧率。

2、对数据帧的内部字节内容不做范围的限定，可以支持0x00～0xFF全部范围取值，因此通讯数据可以使用二进制表示，相比于可见ASCII码，降低了数据长度，极大提升了数据传输效率。

3、通过多字节起始位、超时检测、数据长度预估、CRC校验等多种手段，确保数据帧的完整性与正确性。同时避免乱码对于数据帧接收过程的影响。

4、内部带有从机地址位，可以用于总线式结构通讯。

5、规定了严格的数据收发流程，保证感应传输通讯有序进行。

6、仪器所有的功能均抽象为寄存器和位的概念，降低系统的复杂性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种适用于感应耦合传输的通讯协议，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置协议内容：设置表明数据帧开始的标志的起始位，使用两个字节，表明从机识别自身指令的标志的从机地址，占用一个字节，设置表明指示命令类型的功能码，设置表明指令的有效范围的起始地址和终止地址，起始地址和终止地址都为双字节，总共4个字节，设置表明指令的附加信息的数据位1至n，设置CRC校验位，占用两个字节；

2)起始位之后和数据帧结束之前进行超时检测，超时时间为该波特率下3.5个字符时间，若数据帧内部两个字节之间间隔超出3.5个字符时间，则认为该数据帧提前结束；

3)进行数据传输，流程如下：

31)由主机向所有从机发送控制命令及数据；

32)所有从机接收控制命令及数据，通过解码、CRC校验，判断该指令是否正确，正确的话检测从机地址位，当从机地址位正好为其对应的ID时，该从机才会对指令做出回复；

33)主机接到从机的回复后，经过解码、CRC校验判断该回复是否正确，正确的话进行数据的后续处理。

2.根据权利要求1所述的一种适用于感应耦合传输的通讯协议，其特征在于，所述主机仅为一台，其余均为从机。

3.根据权利要求1所述的一种适用于感应耦合传输的通讯协议，其特征在于，所述数据帧的各个部分除起始位外的其他部分不对数据范围做出限定，每一个字节取值可在0x00～0xFF之间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于感应耦合传输的通讯协议，其特征在于，所述起始位为两个相连的字符“0xC3，0xA5”。

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