解决串口传输“阻塞”问题的方案

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来源&＃xff1a;嵌入式云IOT技术圈

本文在探讨传统数据收发不足之后&＃xff0c;介绍如何使用带FIFO的串口来减少接收中断次数&＃xff0c;通过一种自定义通讯协议格式&＃xff0c;给出帧打包方法&＃xff1b;之后介绍一种特殊的串口数据发送方法&＃xff0c;可在避免使用串口发送中断的情况下&＃xff0c;提高系统的响应速度。

1.简介

串口由于使用简单&＃xff0c;价格低廉&＃xff0c;配合RS485芯片可以实现长距离、抗干扰能力强的局域网络而被广泛使用。随着产品功能的增多&＃xff0c;需要处理的任务也越来越复杂&＃xff0c;系统任务也越来越需要及时响应。绝大多数的现代单片机&＃xff08;ARM7、Cortex-M3&＃xff09;串口都带有一定数量的硬件FIFO&＃xff0c;本文将介绍如何使用硬件FIFO来减少接收中断次数&＃xff0c;提高发送效率。在此之前&＃xff0c;先来列举一下传统串口数据收发的不足之处&＃xff1a;

每接收一个字节数据&＃xff0c;产生一次接收中断。不能有效的利用串口硬件FIFO&＃xff0c;减少中断次数。应答数据采用等待发送的方法。由于串行数据传输的时间远远跟不上CPU的处理时间&＃xff0c;等待串口发送完当前字节再发送下一字节会造成CPU资源浪费&＃xff0c;不利于系统整体响应&＃xff08;在1200bps下&＃xff0c;发送一字节大约需要10ms&＃xff0c;如果一次发送几十个字节数据&＃xff0c;CPU会长时间处于等待状态&＃xff09;。应答数据采用中断发送。增加一个中断源&＃xff0c;增加系统的中断次数&＃xff0c;这会影响系统整体稳定性&＃xff08;从可靠性角度考虑&＃xff0c;中断事件应越少越好&＃xff09;。针对上述的不足之处&＃xff0c;将结合一个常用自定义通讯协议&＃xff0c;提供一个完整的解决方案。

2.串口FIFO

串口FIFO可以理解为串口专用的缓存&＃xff0c;该缓存采用先进先出方式。数据接收FIFO和数据发送FIFO通常是独立的两个硬件。串口接收的数据&＃xff0c;先放入接收FIFO中&＃xff0c;当FIFO中的数据达到触发值&＃xff08;通常触发值为1、2、4、8、14字节&＃xff09;或者FIFO中的数据虽然没有达到设定值但是一段时间&＃xff08;通常为3.5个字符传输时间&＃xff09;没有再接收到数据&＃xff0c;则通知CPU产生接收中断&＃xff1b;发送的数据要先写入发送FIFO&＃xff0c;只要发送FIFO未空&＃xff0c;硬件会自动发送FIFO中的数据。写入发送FIFO的字节个数受FIFO最大深度影响&＃xff0c;通常一次写入最多允许16字节。上述列举的数据跟具体的硬件有关&＃xff0c;CPU类型不同&＃xff0c;特性也不尽相同&＃xff0c;使用前应参考相应的数据手册。

3.数据接收与打包

FIFO可以缓存串口接收到的数据&＃xff0c;因此我们可以利用FIFO来减少中断次数。以NXP的lpc1778芯片为例&＃xff0c;接收FIFO的触发级别可以设置为1、2、4、8、14字节&＃xff0c;推荐使用8字节或者14字节&＃xff0c;这也是PC串口接收FIFO的默认值。这样&＃xff0c;当接收到大量数据时&＃xff0c;每8个字节或者14个字节才会产生一次中断&＃xff08;最后一次接收除外&＃xff09;&＃xff0c;相比接收一个字节即产生一个中断&＃xff0c;这种方法串口接收中断次数大大减少。

将接收FIFO设置为8或者14字节也十分简单&＃xff0c;还是以lpc1778为例&＃xff0c;只需要设置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。

接收的数据要符合通讯协议规定&＃xff0c;数据与协议是密不可分的。通常我们需要将接收到的数据根据协议打包成一帧&＃xff0c;然后交由上层处理。下面介绍一个自定义的协议帧格式&＃xff0c;并给出一个通用打包成帧的方法。

自定义协议格式如图3-1所示。

• 帧首&＃xff1a;通常是3~5个0xFF或者0xEE

• 地址号&＃xff1a;要进行通讯的设备的地址编号&＃xff0c;1字节

• 命令号&＃xff1a;对应不同的功能&＃xff0c;1字节

• 长度&＃xff1a;数据区域的字节个数&＃xff0c;1字节

• 数据&＃xff1a;与具体的命令号有关&＃xff0c;数据区长度可以为0&＃xff0c;整个帧的长度不应超过256字节

• 校验&＃xff1a;异或和校验&＃xff08;1字节&＃xff09;或者CRC16校验&＃xff08;2字节&＃xff09;&＃xff0c;本例使用CRC16校验

下面介绍如何将接收到的数据按照图3-1所示的格式打包成一帧。

3.1 定义数据结构

typedef struct {  uint8_t * dst_buf;                  //指向接收缓存  uint8_t sfd;                        //帧首标志,为0xFF或者0xEE  uint8_t sfd_flag;                   //找到帧首,一般是3~5个FF或EE  uint8_t sfd_count;                  //帧首的个数,一般3~5个  uint8_t received_len;               //已经接收的字节数  uint8_t find_fram_flag;             //找到完整帧后,置1  uint8_t frame_len;                  //本帧数据总长度&＃xff0c;这个区域是可选的  
}find_frame_struct;


3.2 初始化数据结构&＃xff0c;一般放在串口初始化中

/** 
* &＃64;brief    初始化寻找帧的数据结构 
* &＃64;param    p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量 
* &＃64;param    dst_buf:指向帧缓冲区 
* &＃64;param    sfd:帧首标志,一般为0xFF或者0xEE 
*/  
void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd)  
{  p_find_frame->dst_buf&＃61;dst_buf;  p_find_frame->sfd&＃61;sfd;  p_find_frame->find_fram_flag&＃61;0;  p_find_frame->frame_len&＃61;10;       p_find_frame->received_len&＃61;0;  p_find_frame->sfd_count&＃61;0;  p_find_frame->sfd_flag&＃61;0;  
} 


3.3 数据打包程序

/** 
* &＃64;brief    寻找一帧数据  返回处理的数据个数 
* &＃64;param    p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量 
* &＃64;param    src_buf:指向串口接收的原始数据 
* &＃64;param    data_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数 
* &＃64;param    sum_len:帧缓存的最大长度 
* &＃64;return   本次处理的数据个数 
*/  
uint32_t find_one_frame(find_frame_struct * p_find_frame,const uint8_t * src_buf,uint32_t data_len,uint32_t sum_len)  
{  uint32_t src_len&＃61;0;  while(data_len--)  {  if(p_find_frame ->sfd_flag&＃61;&＃61;0)                        {   //没有找到起始帧首  if(src_buf[src_len&＃43;&＃43;]&＃61;&＃61;p_find_frame ->sfd)  {  p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len&＃43;&＃43;]&＃61;p_find_frame ->sfd;  if(&＃43;&＃43;p_find_frame ->sfd_count&＃61;&＃61;5)          {  p_find_frame ->sfd_flag&＃61;1;  p_find_frame ->sfd_count&＃61;0;  p_find_frame ->frame_len&＃61;10;  }  }  else  {  p_find_frame ->sfd_count&＃61;0;   p_find_frame ->received_len&＃61;0;   }  }  else   {   //是否是"长度"字节? Y->获取这帧的数据长度  if(7&＃61;&＃61;p_find_frame ->received_len)                {  p_find_frame->frame_len&＃61;src_buf[src_len]&＃43;5&＃43;1&＃43;1&＃43;1&＃43;2; //帧首&＃43;地址号&＃43;命令号&＃43;数据长度&＃43;校验  if(p_find_frame->frame_len>&＃61;sum_len)  {   //这里处理方法根据具体应用不一定相同  MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("数据长度超出缓存!\n"));  p_find_frame->frame_len&＃61; sum_len;       }  }  p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len&＃43;&＃43;]&＃61;src_buf[src_len&＃43;&＃43;];  if(p_find_frame ->received_len&＃61;&＃61;p_find_frame ->frame_len)                  {  p_find_frame ->received_len&＃61;0;              //一帧完成    p_find_frame ->sfd_flag&＃61;0;  p_find_frame ->find_fram_flag&＃61;1;   return src_len;  }  }  }  p_find_frame ->find_fram_flag&＃61;0;  return src_len;  
} 


使用例子&＃xff1a;

定义数据结构体变量&＃xff1a;

find_frame_structslave_find_frame_srt;


定义接收数据缓冲区&＃xff1a;

#define SLAVE_REC_DATA_LEN  128
uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];


在串口初始化中调用结构体变量初始化函数&＃xff1a;

init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);


在串口接收中断中调用数据打包函数&＃xff1a;

find_one_frame(&slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);


其中&＃xff0c;rec_buf是串口接收临时缓冲区&＃xff0c;data_len是本次接收的数据长度。

4.数据发送

前文提到&＃xff0c;传统的等待发送方式会浪费CPU资源&＃xff0c;而中断发送方式虽然不会造成CPU资源浪费&＃xff0c;但又增加了一个中断源。在我们的使用中发现&＃xff0c;定时器中断是几乎每个应用都会使用的&＃xff0c;我们可以利用定时器中断以及硬件FIFO来进行数据发送&＃xff0c;通过合理设计后&＃xff0c;这样的发送方法即不会造成CPU资源浪费&＃xff0c;也不会多增加中断源和中断事件。

需要提前说明的是&＃xff0c;这个方法并不是对所有应用都合适&＃xff0c;对于那些没有开定时器中断的应用本方法当然是不支持的&＃xff0c;另外如果定时器中断间隔较长而通讯波特率又特别高的话&＃xff0c;本方法也不太适用。公司目前使用的通讯波特率一般比较小&＃xff08;1200bps、2400bps&＃xff09;&＃xff0c;在这些波特率下&＃xff0c;定时器间隔为10ms以下&＃xff08;含10ms&＃xff09;就能满足。如果定时器间隔为1ms以下&＃xff08;含1ms&＃xff09;&＃xff0c;是可以使用115200bps的。

本方法主要思想是&＃xff1a;定时器中断触发后&＃xff0c;判断是否有数据要发送&＃xff0c;如果有数据要发送并且满足发送条件&＃xff0c;则将数据放入发送FIFO中&＃xff0c;对于lpc1778来说&＃xff0c;一次最多可以放16字节数据。之后硬件会自动启动发送&＃xff0c;无需CPU参与。

下面介绍如何使用定时器发送数据&＃xff0c;硬件载体为RS485。因为发送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引脚&＃xff0c;需跟硬件密切相关&＃xff0c;以下代码使用的硬件为lpc1778&＃xff0c;但思想是通用的。

4.1 定义数据结构

/*串口帧发送结构体*/  
typedef struct {  uint16_t send_sum_len;          //要发送的帧数据长度  uint8_t  send_cur_len;          //当前已经发送的数据长度  uint8_t  send_flag;             //是否发送标志  uint8_t * send_data;            //指向要发送的数据缓冲区  
}uart_send_struct;  


4.2 定时处理函数

/** 
* &＃64;brief    定时发送函数,在定时器中断中调用,不使用发送中断的情况下减少发送等待 
* &＃64;param    UARTx:指向硬件串口寄存器基地址 
* &＃64;param    p:指向串口帧发送结构体变量 
*/  
#define FARME_SEND_FALG 0x5A          
#define SEND_DATA_NUM   12  
static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p)  
{  uint32_t i;  uint32_t tmp32;  if(UARTx->LSR &(0x01<<6))                      //发送为空  {         if(p->send_flag&＃61;&＃61;FARME_SEND_FALG)  {                          RS485ClrDE;                             // 置485为发送状态  tmp32&＃61;p->send_sum_len-p->send_cur_len;  if(tmp32>SEND_DATA_NUM)                 //向发送FIFO填充字节数据  {  for(i&＃61;0;iTHR&＃61;p->send_data[p->send_cur_len&＃43;&＃43;];  }  }  else  {  for(i&＃61;0;iTHR&＃61;p->send_data[p->send_cur_len&＃43;&＃43;];  }  p->send_flag&＃61;0;                      }  }  else  {  RS485SetDE;  }  }  
}  


其中&＃xff0c;RS485ClrDE为宏定义&＃xff0c;设置RS485为发送模式&＃xff1b;RS485SetDE也为宏定义&＃xff0c;设置RS485为接收模式。

使用例子&＃xff1a;

定义数据结构体变量&＃xff1a;

uart_send_struct uart0_send_str;


定义发送缓冲区&＃xff1a;

uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];


根据使用的硬件串口&＃xff0c;对定时处理函数做二次封装&＃xff1a;

void uart0_send_data(void)
{uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);
}


将封装函数uart0_send_data();放入定时器中断处理函数中&＃xff1b;

在需要发送数据的地方&＃xff0c;设置串口帧发送结构体变量&＃xff1a;

uart0_send_str.send_sum_len&＃61;data_len;       //data_len为要发送的数据长度
uart0_send_str.send_cur_len&＃61;0;              //固定为0
uart0_send_str.send_data&＃61;uart0_send_buf;    //绑定发送缓冲区
uart0_send_str.send_flag&＃61;FARME_SEND_FALG;   //设置发送标志


5.总结

本文主要讨论了一种高效的串口数据收发方法&＃xff0c;并给出了具体的代码实现。在当前处理器任务不断增加的情况下&＃xff0c;提供了一个占用资源少&＃xff0c;可提高系统整体性能的新的思路。

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