CN114356829B - 一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统，系统架构包括接口层、驱动层、数据链路层和协议层，所述接口层负责驱动层与数据链路层消息传递功能实现及各层统一的数据类型定义，通过简易参数配置以适配于不同操作系统；所述驱动层负责与具体硬件平台寄存器的交互及串口数据的发送与接收，通过简易修改可适配于不同硬件平台；所述数据链路层负责数据链路的构建，通过配置内存块大小及个数适配不同的数据流应用场景；所述协议层接收部分主要由数据帧提取及协议解析，通过查表方式进行相应协议解析以自适应不同协议。本发明的系统可适应不同硬件平台、不同操作系统、不同标准数据协议以及不同数据吞吐量应用场景。
Description
技术领域
本发明属于信息交互技术领域，具体是一种基于串口收发协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统。
背景技术
随着现代信息软件技术的飞速发展，各种操作系统、各种硬件平台飞速发展，且数据流交互场景复杂多变，数据接口技术更是与时俱进，如IIC接口、CAN接口、千兆以太网、USB等也在更迭换代，其中串口是其中最基本，也是最常用的接口形式。面对多种形式存在的硬件平台、操作系统以及操作软件，往往无法实现串口收发协议，大大影响了推广应用。
在现有技术中，中国发明专利201910676692.4公开一种基于串口modbus通信协议的通用采集接口软件系统，该软件系统可基本适配各种基于modbus协议的信号采集仪表，同时支持各种输出接口，作为接口软件，进行基于串口modbus协议的报文采集、数据自动分析以及多种方式处理信号。但是，上述专利技术其主要是基于modbus通信协议进行采集、处理和输出，并没有提及硬件、系统件的变换和兼容输出，应用范围较窄，难以有效推广使用。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明准备以串口的应用基础，形成一种收发协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统是一种创新，并进而可在其它接口应用场景推广。
为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统，该软件系统的架构包括接口层、驱动层、数据链路层和协议层，以上四个部分接口层、驱动层、数据链路层和协议层分别在软件操作系统、硬件平台系统、使用场景、协议系统几个方面建立快速的适配性，并以松耦合、模块化的方式组建在一起。其中：
所述的接口层负责驱动层与数据链路层消息传递机制功能实现及各层统一的数据类型定义，通过参数配置以适配于不同操作系统；
所述的驱动层负责与具体硬件平台寄存器的交互及串口数据的发送与接收，通过修改以适配于不同硬件平台；
所述的数据链路层负责数据链路的构建，通过配置内存块大小及个数适配不同的数据流应用场景，配置信息采用查表的方式；
所述的协议层负责完整数据帧的截取、数据协议的解析以及数据协议的组包，协议的解析及组包采用查表的方式以自适应不同协议；
输入数据流经过的先后顺序分别为驱动层、数据链路层、协议层，输入流程描述如下：输入数据流程首先由中断捕获进入驱动层的中断服务函数，中断服务函数获得数据指针及长度，通过接口层定义的任务、队列接口函数发送至数据链路层的接收任务，接收任务调用接收回调函数将数据流传递至协议层，协议层对数据流以循环链表的方式缓存、拼帧，并以查表的方式进行协议帧识别，最终完成数据流解析。
输出数据流经先后顺序分别为协议层、数据链路层、驱动层，输出流程描述如下：待输出数据经过协议层以查表方式进行组包，调用接口层所定义多任务、队列机制相关接口函数发送至数据链路层发送函数，发送函数调用发送回调函数，通过回调函数传递至驱动层发送中断服务函数完成发送。
在本发明一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中，所述接口层适配不同操作系统的过程是：在接口层中使用宏定义或数据类型定义的方式定义通用接口函数及通用句柄，并在不同环境下选择不同的库函数，通过修改宏定义或数据类型定义的中函数名称及类型以实现对不同操作系统的配置，与操作系统相关的功能函数包括有任务创建，队列创建、发送和接收，信号量的创建、发送和接收，通用句柄事件句柄以及队列句柄。接口层的文件包括SysInterface.c和SysInterface.h，该文件为系统接口(System interface)，文件中包含数据类型定义、操作系统接口定义和通用句柄定义功能。
在本发明一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中，所述的驱动层包括涉及具体硬件平台的串口初始化、串口寄存器的读写，负责与具体硬件平台寄存器的交互及串口数据的发送与接收。驱动层适配不同硬件平台的过程是：使用宏定义或数据类型定义的方式定义通用接口函数及通用句柄，并在不同环境下选择不同的库函数，通过修改宏定义或数据类型定义的中相关函数名及类型进行不同硬件平台，与硬件平台相关的功能函数主要包含GPIO(通用输入/输出)配置、串口初始化和中断设置，建立配置表信息，配置表中包括串口波特率、数据位数、校验类型、停止位数、中断类型及GPIO选择在内的配置信息，通过修改配置表信息及底层驱动信息以适配不同硬件平台。驱动层的文件包括Uart.c和Uart.h。文件的含义为通用异步串口Uart(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter)，文件包含与硬件平台相关的GPIO配置、串口初始化配置、中断配置和串口配置表信息。
在本发明一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中，所述数据链路层包括收发链路，通过构造收发任务、收发回调函数、收发队列以及收发内存块以实现完整的数据链收发功能。所述数据链路层的实现过程包括创建接收线程、发送线程以及相应的接收、发送的回调函数；建立配置表，该配置表中设有包括收发任务名、收发任务优先级、收发任务堆栈、收发队列块数、队列长度、内存块个数及内存块大小在内的配置信息；根据实际资源、内存占用情况合理调整配置表，以适配不同的使用场景。数据链路层中文件包括slcom.c和slcom.h，其文件含义为串口通信(Serial Link Communication)，具体包含收发线程的创建、收发队列的创建、收发回调函数的创建以及配置表信息的设置。
在本发明一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中，所述的协议层中自适应不同协议的操作过程是：(1)初始化以链表的方式建立相应串口的循环buffer作为数据信息接收的缓存区，作为完整数据帧的拼接及协议类型判断的基础；(2)每个串口的收发对应各自的循环buffer，并保证串口的绝对独立性；(3)协议类型根据包括帧首、帧尾和帧长度在内的关键信息自适应不同类型，对十六进制格式及ASCII码格式均能完成自适应识别；(4)协议语句以查找表的方式映射关键字与协议函数关系，快速高效建立不同协议解析方式及组包方式，上述不同协议包括有标准2.1协议、标准4.0协议以及定制协议。所述的协议层中文件包括DataProcess.c、ProtProcess.h和DataProcess.h、ProtProcess。文件的含义分别为数据处理(Data Process)、协议处理(protocolProcess)，DataProcess文件中包含数据链表的创建、完整协议帧的拼接及协议类型的判断等信息，ProtProcess文件包含协议查找表的建立、具体协议格式的解析信息。
基于上述技术方案，与普通的收发流程相比，本发明的软件系统经过实践应用取得了如下技术优点：
本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统通过构造最优数据链收发方式，只需要配置相关参数即可适应不同硬件平台、不同操作系统、不同标准数据协议以及不同数据吞吐量应用场景，层次清晰、架构稳定可靠并可输出监控信息，对内存、任务、队列等信息进行实时监测，确保数据链的可靠、稳健和有效。
附图说明
图1是本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统的总体流程框图。
图2是本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中的接收流程图。
图3是本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中的发送流程图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步的详细说明，但本发明的实施方式不局限于此。
如图1所示，本发明是一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统。该软件系统的架构组成包括有接口层、驱动层、数据链路层和协议层四个部分。其中，接口层适配不同操作系统，驱动层适配于不同硬件平台，数据链路层构建数据链路，协议层进行协议解析及组包，四个部分相辅相成、缺一不可。
输入数据流经过的先后顺序分别为驱动层、数据链路层、协议层，输入流程描述如下：输入数据流程首先由中断捕获进入驱动层的中断服务函数，中断服务函数获得数据指针及长度，通过接口层定义的任务、队列接口函数发送至数据链路层接收任务，接收任务调用接收回调函数传递至协议层，协议层对数据流以循环链表的方式缓存、拼帧，并以查表的方式进行协议帧识别，最终完成数据流解析。
输出数据流经先后顺序分别为协议层、数据链路层、驱动层，输出流程描述如下：待输出数据经过协议层以查表方式进行组包，调用接口层所定义多任务、队列机制相关接口函数发送至数据链路层发送函数，发送函数调用发送回调函数，通过回调函数传递至驱动层发送中断服务函数完成发送。
具体地，所述的接口层负责驱动层与数据链路层消息传递机制功能实现及各层统一的数据类型定义，通过简易参数配置以适配于不同操作系统。其中，所述接口层适配不同操作系统的过程是：在接口层中使用宏定义或数据类型定义的方式定义通用接口函数及通用句柄，并在不同环境下选择不同的库函数，通过修改宏定义或数据类型定义的中函数名称及类型以实现对不同操作系统的配置，与操作系统相关的功能函数包括有任务创建，队列创建、发送和接收，信号量的创建、发送和接收，通用句柄事件句柄以及队列句柄。接口层的文件包括SysInterface.c和SysInterface.h，该文件为系统接口(System interface)，文件中包含数据类型定义、操作系统接口定义和通用句柄定义功能。
所述的驱动层负责与具体硬件平台寄存器的交互及串口数据的发送与接收，通过简易修改以适配于不同硬件平台。所述的驱动层的操作流程包括具体硬件平台的串口初始化、串口寄存器的读写，负责与具体硬件平台寄存器的交互及串口数据的发送与接收。驱动层适配不同硬件平台的过程是：使用宏定义或数据类型定义的方式定义通用接口函数及通用句柄，并在不同环境下选择不同的库函数，通过修改宏定义或数据类型定义的中相关函数名及类型进行不同硬件平台，与硬件平台相关的功能函数主要包含GPIO配置、串口初始化和中断设置，建立配置表信息，配置表中包括串口波特率、数据位数、校验类型、停止位数、中断类型及GPIO选择在内的配置信息，通过修改配置表信息及底层驱动信息以适配不同硬件平台。驱动层的文件包括Uart.c和Uart.h。文件的含义为通用异步串口Uart(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，文件包含与硬件平台相关的GPIO配置、串口初始化配置、中断配置、串口配置表信息。
所述的数据链路层负责数据链路的构建，通过配置内存块大小及个数适配不同的数据流应用场景，配置信息采用查表的方式。数据链路层中包括收发链路，通过构造收发任务、收发回调函数、收发队列以及收发内存块以实现完整的数据链收发功能。所述数据链路层的实现过程包括创建接收线程、发送线程以及相应的接收、发送的回调函数；建立配置表，该配置表中设有包括收发任务名、收发任务优先级、收发任务堆栈、收发队列块数、队列长度、内存块个数及内存块大小在内的配置信息；根据实际资源、内存占用情况合理调整配置表，以适配不同的使用场景。数据链路层中文件包括slcom.c和slcom.h，其文件含义为串口通信(Serial Link Communication)，具体包含收发线程的创建、收发队列的创建、收发回调函数的创建以及配置表信息的设置。
所述的协议层负责完整数据帧的截取、数据协议的解析以及数据协议的组包，协议的解析及组包采用查表的方式以自适应不同协议。协议层中自适应不同协议的操作过程是：(1)初始化以链表的方式建立相应串口的循环buffer作为数据信息接收的缓存区，作为完整数据帧的拼接及协议类型判断的基础；(2)每个串口的收发对应各自的循环buffer，并保证串口的绝对独立性；(3)协议类型根据包括帧首、帧尾和帧长度在内的关键信息自适应不同类型，对十六进制格式及ASCII码格式均能完成自适应识别；(4)协议语句以查找表的方式映射关键字与协议函数关系，快速高效建立不同协议解析方式及组包方式，上述不同协议包括有标准2.1协议、标准4.0协议以及定制协议。所述的协议层中文件包括DataProcess.c、ProtProcess.h和DataProcess.h、ProtProcess。文件的含义分别为数据处理(Data Process)、协议处理(protocol Process)，DataProcess文件中包含数据链表的创建、完整协议帧的拼接及协议类型的判断等信息，ProtProcess文件包含协议查找表的建立、具体协议格式的解析信息。
图2是本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中的接收流程图。如图所示的接收信息流程，通过接口层连通协议层、数据链路层和驱动层，数据由接口层接入后，数据流输入由驱动层的中断服务函数捕获，中断服务函数将信息以消息的形式传送给接收任务，接收任务调用接收回调函数，回调函数将信息流送入循环buffer，接受任务与接收回调函数又属于数据链路层，其发送到协议层，由协议层完成对信息的缓存与解析。在接收流程中，各单元层既各负其职，又有机组合成一个整体，数据依次通过接口层、驱动层、数据链路层和协议层，完成缓存与解析。
图3是本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统中的发送流程图。如图所示的发送信息流程，信息流由协议层组包，并以消息的形式传送给发送任务，发送任务调用发送回调函数，回调函数触发中断服务的发送机制，发送任务与发送回调函数属于数据链路层，中断服务则属于驱动层的中断服务函数，触动发送机制后完成发送，在发送流程中各单元层既各负其职，又有机组合成一个整体。在发送流程中，各单元层既各负其职，又有机组合成一个整体，数据依次通过协议层、驱动层和数据链路层，完成数据通过接口层发送出去。
本发明基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的软件系统通过构造最优数据链收发方式，只需要配置相关参数即可适应不同硬件平台、不同操作系统、不同标准数据协议以及不同数据吞吐量应用场景，层次清晰、架构稳定可靠并可输出监控信息。
Claims (5)
1.一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统，其特征在于，该系统的架构包括接口层、驱动层、数据链路层和协议层，所述接口层、驱动层、数据链路层和协议层四个部分分别在操作系统、硬件平台、使用场景及协议系统方面建立快速的适配性，其中：
所述的接口层负责驱动层与数据链路层消息传递机制功能实现及各层统一的数据类型定义，通过参数配置以适配于不同操作系统；
所述的驱动层负责与具体硬件平台寄存器的交互及串口数据的发送与接收，通过修改以适配于不同硬件平台；
所述的数据链路层负责数据链路的构建，通过配置内存块大小及个数适配不同的数据流应用场景，配置信息采用查表的方式；
所述的协议层负责完整数据帧的截取、数据协议的解析以及数据协议的组包，协议的解析及组包采用查表的方式以自适应不同协议；
在进行数据流输入时，由外部对象输入的数据流进入驱动层，由驱动层获得数据的指针和长度，再通过接口层定义的任务、队列函数发送到数据链路层的接收任务，接收任务调用接收回调函数传递至协议层，协议层完成数据流解析；在进行数据流输入时，输入数据流先由中断捕获进入驱动层的中断服务函数，中断服务函数获得数据指针及长度，协议层对数据流以循环链表的方式缓存和拼帧，并以查表的方式进行协议帧识别，最终完成数据流解析；
在进行数据流输出时，待输出的数据流经先后顺序分别为协议层、数据链路层和驱动层；在数据输出流程中：待输出数据经过协议层以查表方式进行组包，调用接口层所定义多任务、队列机制相关接口函数发送至数据链路层的发送函数，发送函数调用发送回调函数，通过回调函数传递至驱动层发送中断服务函数完成发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统，其特征在于，所述接口层适配不同操作系统的过程是：在接口层中使用宏定义或数据类型定义的方式定义通用接口函数及通用句柄，并在不同环境下选择不同的库函数，通过修改宏定义或数据类型定义的中函数名称及类型以实现对不同操作系统的配置，与操作系统相关的功能函数包括有任务创建，队列创建、发送和接收，信号量的创建、发送和接收，通用句柄事件句柄以及队列句柄。
3.根据权利要求1所述的一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统，其特征在于，所述驱动层适配不同硬件平台的过程是：使用宏定义或数据类型定义的方式定义通用接口函数及通用句柄，并在不同环境下选择不同的库函数，通过修改宏定义或数据类型定义的中相关函数名及类型进行不同硬件平台，与硬件平台相关的功能函数主要包含GPIO配置、串口初始化和中断设置，建立配置表信息，配置表中包括串口波特率、数据位数、校验类型、停止位数、中断类型及GPIO选择在内的配置信息，通过修改配置表信息及底层驱动信息以适配不同硬件平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统，其特征在于，所述数据链路层中包括创建接收线程、发送线程以及相应的接收、发送的回调函数；建立的配置表，该配置表中设有包括收发任务名、收发任务优先级、收发任务堆栈、收发队列块数、队列长度、内存块个数及内存块大小在内的配置信息，根据实际资源、内存占用情况合理调整配置表，以适配不同的使用场景。
5.根据权利要求1所述的一种基于串口收发的协议自适应识别、跨平台、标准化的系统，其特征在于，所述的协议层中自适应不同协议的操作过程是：（1）初始化以链表的方式建立相应串口的循环buffer作为数据信息接收的缓存区，作为完整数据帧的拼接及协议类型判断的基础；（2）每个串口的收发对应各自的循环buffer，并保证串口的绝对独立性；（3）协议类型根据包括帧首、帧尾和帧长度在内的关键信息自适应不同类型，对十六进制格式及ASCII码格式均能完成自适应识别；（4）协议语句以查找表的方式映射关键字与协议函数关系，快速高效建立不同协议解析方式及组包方式。
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| GR01 | Patent grant |