CN115794691B - 一种串口通信方法、下位机及串口通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据通信技术领域，解决了目前的串口通信协议可能导致判断数据不完整且效率低的问题，提供了一种串口通信方法、下位机及串口通信系统。其中，串口通信方法在下位机中执行的过程包括：与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令；获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位；基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。其能够在准确处理上位机命令的前提下，提高串口通信效率。

Description

一种串口通信方法、下位机及串口通信系统

技术领域

本发明属于数据通信技术领域，尤其涉及一种串口通信方法、下位机及串口通信系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

为了实现上位机与下位机串口的稳定通信连接，需要在下位机开发时，把串口通信中断优先级提到最高，或比较高的状态。所以当串口数据传输时，因为串口较高的优先级中断抢断，对下位机控制的其他单元有影响，如抢断高速电机的控制。高速电机的控制驱动要求频率较高，即算法和驱动处理时间较短，串口通信必然会打断电机的控制。相比较接收上位机命令，高速电机运行的平稳性是在测试时我们更在意的，因此允许串口丢包，不能把串口通信优先级设置成高于电机控制优先级。在其他情况下，如串口线过长或者有磁场干扰的时候，也容易发生丢包问题。

为了准确获得一条完整的通信协议，现有技术的解决方法是加协议头、协议尾、校验和，通过这种方式，可以有效判断出协议是否发生丢包；判断发生丢包，即协议不完整，丢弃本条数据。但是，发明人发现，如果协议不对，就会丢掉整个包，有时发送端发送很多条数据，接收端接收到的数据依然不完整，所以一直无法执行上位机命令，这样导致通过上述判断数据是否完整的方法，效率非常低。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种串口通信方法、下位机及串口通信系统，其把一个字节分为标识位、反馈位和数据位，能够在准确处理上位机命令的前提下，提高串口通信效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供了一种串口通信方法。

在一个或多个实施例中，一种串口通信方法，其在下位机中执行的过程包括如下步骤：

与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；其中，控制指令中的每个字节由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成；标识位由一个字节的设定数量个高位构成，用于表示设定对象的控制模式；反馈位最邻近标识位；一个字节的其余位构成数据位，用于表示设定对象的控制状态量；

根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令；

获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位；

基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。

作为第一个方面的一种实施方式，与上位机连接的过程包括：

接收上位机发送的握手字节；

向上位机返回应答字节，直至上位机与下位机连接成功。

作为第一个方面的一种实施方式，所述握手字节和应答字节均由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成，标识位由每个字节的设定数量个高位构成，反馈位最邻近标识位，其余位构成数据位。

作为第一个方面的一种实施方式，所述握手字节和应答字节的标识位和数据位均相同。

作为第一个方面的一种实施方式，所述握手字节的反馈位为0，应答字节的反馈位为1。

本发明的第二个方面提供了一种下位机。

在一个或多个实施例中，一种下位机，包括：

控制指令接收模块，其用于与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；其中，控制指令中的每个字节由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成；标识位由一个字节的设定数量个高位构成，用于表示设定对象的控制模式；反馈位最邻近标识位；一个字节的其余位构成数据位，用于表示设定对象的控制状态量；

设定对象控制模块，其用于根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令；

数据位更新模块，其用于获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位；

控制反馈指令发送模块，其用于基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。

作为第二个方面的一种实施方式，所述下位机还包括与上位机连接模块，其用于：

接收上位机发送的握手字节；

向上位机返回应答字节，直至上位机与下位机连接成功。

作为第二个方面的一种实施方式，所述握手字节和应答字节均由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成，标识位由每个字节的设定数量个高位构成，反馈位最邻近标识位，其余位构成数据位。

作为第二个方面的一种实施方式，所述握手字节和应答字节的标识位和数据位均相同。

作为第二个方面的一种实施方式，所述握手字节的反馈位为0，应答字节的反馈位为1。

本发明的第三个方面提供了一种串口通信系统。

在一个或多个实施例中，一种串口通信系统，包括上位机和下位机，所述下位机被配置为执行如上述所述的串口通信方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种串口通信方法，其把一个字节分为标识位、反馈位和数据位，利用反馈位表示应答和未应答，标识位表示不同的数据类型，数据位表示通信所需要的表达的数据，解决了当通信协议不对时发生丢包或数据接收不完整，从而导致通信效率低的问题，采用按字节划分信号位的技术手段，能够在准确处理上位机命令的前提下，提高了串口通信效率。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的串口通信方法流程图；

图2是本发明实施例的串口通信方法实际应用流程图；

图3是本发明实施例的下位机结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

参照图1，本实施例提供了一种串口通信方法，其在下位机中执行的过程包括如下步骤：

S101：与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；其中，控制指令中的每个字节由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成；标识位由一个字节的设定数量个高位构成，用于表示设定对象的控制模式；反馈位最邻近标识位；一个字节的其余位构成数据位，用于表示设定对象的控制状态量。

在具体实施过程中，与上位机连接的过程包括：

接收上位机发送的握手字节；

向上位机返回应答字节，直至上位机与下位机连接成功。

其中，所述握手字节和应答字节均由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成，标识位由每个字节的设定数量个高位构成，反馈位最邻近标识位，其余位构成数据位。

具体地，所述握手字节和应答字节的标识位和数据位均相同。所述握手字节的反馈位为0，应答字节的反馈位为1。

S102：根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令；

S103：获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位；

S104：基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。

下面以实际应用场景为例：上位机即运行在电脑上的应用，上位机与下位机通过串口相连。

定义手术机器人为下位机，手术机器人用STM32F407单片机做MCU，控制四个电机运动。四个电机的控制方式分为两类，其中一类控制方式是绝对位置控制，即发送一个具体的位置，电机运动到那个位置上就会停止，不会持续运动，包括三个电机，分别控制目标器械俯仰、偏航、拉伸自由度运动，称为单模式电机；另一类控制方式是既有绝对位置控制，又支持持续运动控制，包括一个电机，控制目标器械旋转自由度运动，称为多模式电机。

单片机既支持绝对位置控制，又支持持续运动控制的电机本质上还是基于位置反馈的，即绝对位置控制在一个输入范围内，超过这个范围就变成持续运动。如电机位置在[-180,180]范围内是绝对位置控制，小于-180或大于180就变成持续运动了。

除这两种运动控制模式外，单片机会控制灯等输出变量，采集电机堵转状态、传感器数据等输入变量，上位机也会控制和读取这些变量。因此，串口协议的设计要满足以下三种功能：

功能1：上位机发送绝对位置命令，下位机接收命令后，控制电机运行到对应位置，测试人员可以直接观察是否运动到具体位置。因为是绝对位置控制，允许上位机持续发送数据。

功能2：上位机发送绝对位置命令，下位机接收命令后，控制电机运行到对应位置，并返回上位机到达目标位置响应。上位机基于接收到的位置响应，判断是否发新命令。本条需求与上一条的区别在于要求下位机反馈目标位置状态。

功能3：上位机发送读取下位机状态命令，下位机接收后，发送对应状态信息。如果上位机没有收到对应的命令状态信息，持续发送，接收到反馈之后，停止发送。

单片机的串口一次处理（发送和接收）8位数据，即一个字节。为了保证数据准确性，传统方法是用多个字节表示协议头、协议尾和校验和，串行发送8个字节。但是要用传统的方法需要调高串口优先级，并且效率较低，不适用本应用场景。本实施例不用多个字节表示协议头、协议尾和校验和，而是把一个字节分为标识位、反馈位和数据位，如表1所示。

表1 字节的划分

Bit7~Bit5：3位标识位，可表示8种数据。

Bit4：1位反馈位，置1代表已收到。

Bit3~Bit0：4位数据位，可表示0到16之间正整数。本实施例中，定义Bit3位为最高位，Bit0位为最低位。

其中，两个不同标识的字节结合起来，可以表示8位数据位，以此类推。

此处可以理解的是，反馈位用来表示应答和未应答，标识位用来表示不同的数据类型，其可为1位，但最多不超过6位。数据位是表示通信所需要的表达的数据，其至少为1位，最多不超过6位。本领域技术人员可根据实际情况来具体设置标识位和数据位的位数，此处不再详述。

参照图2，基于上述实际应用场景，给出了上位机与下位机之间的串口通信过程：

第一步：开始，系统初始化，连接上位机与下位机。

第二步：上位机发送握手字节，握手字节标识位为000，反馈位为0，数据位为0001，写成十六进制为0x01;下位机接收到0x01，返回应答字节，此时应答字节标识位为000，反馈位置1，数据位不变认为0001，写成十六进制为0x11;若上位机没有接收到应答，持续发送。

第三步：建立连接之后，等待上位机发送控制命令。

第四步：如果上位机选择单模式电机控制，定义3个电机的标识位分别为001、010、011，反馈位为0，数据位为具体的位置。4位数据位可以约定16个位置，对于绝对位置测试已经符合要求了。进入第五步。

此处需要说明的是，如果需要更精密的位置，本领域技术人员可以选择多个标识位组合，在此不列举。

第五步：下位机接收到上位机命令，控制对应电机运动到具体位置。

第六步：如果上位机选择多模式电机控制，定义多模式电机的绝对位置运动模式和持续运动模式的标识位分别为100和101，反馈位为0，数据位根据不同模式表示不同意义。绝对位置运动模式下，4位数据位依然约定为16个位置；持续运动模式下，4位数据位最低位（Bit0）表示方向，中间两位（Bit2和Bit1）表示速度大小。进入第七步。

第七步：下位机接收到上位机命令，控制旋转电机在不同模式下运动。在多模式电机绝对位置运动控制过程中，当电机到达目标点之后，需要反馈当前电机位置信息。进入第八步。

第八步：到达目标点后，下位机反馈位置信息，即把反馈位置1返还给上位机。上位机接收到后不再发送命令，否则持续发送。

第九步：如果上位机进行状态量控制（也可称写入）和读取，约定写入命令的标识位为110，反馈位为0，数据位可控制16种状态量变化；约定读取命令的标识位为111，反馈位为0，数据位可读取4位状态量状态。

第十步；下位机接收到写入命令，控制状态量变化并把反馈位置1后反馈到上位机；下位机接收到读取命令，读取状态信息，反馈位置1更新数据位并发送到上位机，结束。

本实施例采用按字节划分信号位的技术手段，在满足通信准确性的前提下，获得更高效的通信效果。

实施例二

参照图3，本实施例提供了一种下位机，包括控制指令接收模201、设定对象控制模块202、数据位更新模块203和控制反馈指令发送模块204。

在本实施例中，控制指令接收模201用于与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；其中，控制指令中的每个字节由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成；标识位由一个字节的设定数量个高位构成，用于表示设定对象的控制模式；反馈位最邻近标识位；一个字节的其余位构成数据位，用于表示设定对象的控制状态量。

此处可以理解的是，反馈位用来表示应答和未应答，标识位用来表示不同的数据类型，其可为1位，但最多不超过6位。数据位是表示通信所需要的表达的数据，其至少为1位，最多不超过6位。本领域技术人员可根据实际情况来具体设置标识位和数据位的位数，此处不再详述。

在本实施例中，设定对象控制模块202用于根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令。

在本实施例中，数据位更新模块203用于获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位。

在本实施例中，控制反馈指令发送模块204用于基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。

在一些其他实施例中，所述下位机还包括与上位机连接模块，其用于：

接收上位机发送的握手字节；

向上位机返回应答字节，直至上位机与下位机连接成功。

其中，所述握手字节和应答字节均由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成，标识位由每个字节的设定数量个高位构成，反馈位最邻近标识位，其余位构成数据位。

在具体实施过程中，所述握手字节和应答字节的标识位和数据位均相同。所述握手字节的反馈位为0，应答字节的反馈位为1。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种串口通信系统，包括上位机和下位机，所述下位机被配置为执行如上述实施例一所述的串口通信方法中的步骤。

此处需要说明的是，串口通信系统中的其他结构均为现有结构，此处不再详述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种串口通信方法，其特征在于，所述串口通信方法在下位机中执行的过程包括如下步骤：

与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；其中，控制指令中的每个字节由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成；标识位由一个字节的设定数量个高位构成，用于表示设定对象的控制模式；反馈位最邻近标识位；一个字节的其余位构成数据位，用于表示设定对象的控制状态量；

根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令；

获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位；

基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。

2.如权利要求1所述的串口通信方法，其特征在于，与上位机连接的过程包括：

接收上位机发送的握手字节；

向上位机返回应答字节，直至上位机与下位机连接成功。

3.如权利要求2所述的串口通信方法，其特征在于，所述握手字节和应答字节均由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成，标识位由每个字节的设定数量个高位构成，反馈位最邻近标识位，其余位构成数据位。

4.如权利要求3所述的串口通信方法，其特征在于，所述握手字节和应答字节的标识位和数据位均相同。

5.如权利要求3或4所述的串口通信方法，其特征在于，所述握手字节的反馈位为0，应答字节的反馈位为1。

6.一种下位机，其特征在于，包括：

控制指令接收模块，其用于与上位机连接成功后，接收上位机下发的控制指令；其中，控制指令中的每个字节由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成；标识位由一个字节的设定数量个高位构成，用于表示设定对象的控制模式；反馈位最邻近标识位；一个字节的其余位构成数据位，用于表示设定对象的控制状态量；

设定对象控制模块，其用于根据所述控制指令，控制设定对象执行所述控制指令；

数据位更新模块，其用于获取设定对象执行所述控制指令后的控制状态量变化信息，以更新数据位；

控制反馈指令发送模块，其用于基于更新后的数据位、置1的反馈位以及维持不变的标识位，形成控制反馈指令，并发送至上位机。

7.如权利要求6所述的下位机，其特征在于，所述下位机还包括与上位机连接模块，其用于：

接收上位机发送的握手字节；

向上位机返回应答字节，直至上位机与下位机连接成功。

8.如权利要求7所述的下位机，其特征在于，所述握手字节和应答字节均由至少一位标识位、一位反馈位和至少一位数据位组成，标识位由每个字节的设定数量个高位构成，反馈位最邻近标识位，其余位构成数据位。

9.如权利要求8所述的下位机，其特征在于，所述握手字节和应答字节的标识位和数据位均相同。

10.如权利要求8或9所述的下位机，其特征在于，所述握手字节的反馈位为0，应答字节的反馈位为1。

11.一种串口通信系统，其特征在于，包括上位机和下位机，所述下位机被配置为执行如权利要求1-5中任一项所述的串口通信方法中的步骤。

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