总线通信数据管理及解析方法

期刊目录网通信论文发表2020-08-04 11:47关注(1)

　　在航空电子系统中RS422是一种常见的异步串行总线，可同时实现互连设备双方的发送与接收，且灵活、简单、可移植性强。然而由于RS422总线对传输数据缺少限制，数据格式多变，在异步传输的过程中极易出现数据不完整、丢包、错误解析等情况。文章针对这一问题提出了一种RS422总线通信数据管理及解析方法，针对不同格式的数据，设计出通用的解包算法。该方法在机载系统多型产品中实际运用，总线通信稳定有效。

　　关键词：RS422总线；数据管理；解包算法

　　RS422总线采用差分传输方式，具有全双工的特性，即具有4根信号线，接收发送互不干扰。通信双方在同一周期内完成数据互换，根据指定长度即可获取正确的数据包。然而当双方设备的任务周期出现偏差，底层数据接收晚于上层应用调度时，常常会出现半包数据丢失，找不到包头包尾等问题[1]。RS422总线普遍应用于各类场景，其包头、包尾、校验位、计算方式、长度等多变且难以统一[2]，甚至消息数量也存在不确定性，不同应用需求导致开发者多次重复开发，费时费力，没有形成一套统一的配置管理方法。电子通信环境复杂，总线数据传输可能出现偶发干扰，从而引入非正常数据[3]，因此组包过程需要具备一定的抗冗余能力，保证在不丢包的基础上正确解析[4]。

　　1串行通信协议

　　UART是一种异步全双工串行通信协议，因为没有参考时钟信号，所以通信的双方必须约定串口波特率、数据位宽、奇偶校验位、停止位等配置参数，从而按照相同的速率方式进行通信。异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位的时间间隔是固定的，可通过波特率进行设置，即每秒传送的二进制位数。每一个传送字符包含1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个停止位，如图1所示。图1串行通信协议数据格式在实际通信中，起始位常发送一个逻辑“0”信号，表示传输字符的开始。数据位可以是8位的逻辑“0”或“1”，一般采用小端传输，即LSB先发，MSB后发。在数据位后加上奇偶校验位，使得字符中逻辑“1”的位数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。停止位是一个字符的结束标志，可以是1位、1.5位、2位的高电平，用于保持双方同步，停止时间间隔越长，传送的容错能力就越强。针对上述协议，RS422总线的初始化配置至少应包含表1内容，其中循环标志设定了总线的工作状态。

　　2数据管理配置

　　根据串行通信协议特点，针对不同应用进行统一的开发管理，本文对RS422总线的收发数据进行了如下配置，详见表2，具体包括通道号、消息标识、包长、包头、包尾、校验类型、停止位等，可采用结构体的形式在初始化阶段进行配置。需要说明的是，表2为应用层数据设置，上述表1位传输协议配置。开发者可根据自身需求，对各配置项进行裁剪增添。RS422总线是在RS232总线基础上发展而来的，不同于RS232总线点对点的通信规范，RS422总线支持同一线路单机发送、多机接收，且其特有的电气特性使传输距离和传输速率得以提升。“一对多”式通信协议不仅可以提升传输效率，还能在一定程度上节约网络资源，此时就需要对软件的收发通道进行合理编号，用以区分不同的发送源数据。另外，通过设置消息标识符，接收方可对消息进行筛选，有目的地进行数据包解析。包长、包头、包尾限定出一个完整的数据段，校验和则用于保证数据的正确性，防止因受干扰而出现数据错乱，一般有加和及补码两种方式。

　　3数据收发流程

　　发送数据时，首先利用表2中的发送结构体进行数据配置，设置包头、包尾、标识符、消息长度等相关信息，然后根据校验类型，向待发送数据包填写校验和，最后调用发送驱动，读取UART线状态寄存器，当发送FIFO存储器不为空时保持等待，直到条件满足后逐字节写入发送保持寄存器。数据接收过程涉及数据存储、整合、解析、组包等，具体流程见图2。首先应判断当前通道接收的消息数量是否单一，若单一则直接获取序号，进行接收解包流程，若不为一，则需通过标识位判断是否为目标消息。在确认待接收数据为目标消息后，根据包头、包长、校验位等进行解包，解包算法详见下一章节。

　　4数据解包算法

　　本节以某型直升机机电系统RS422总线通信为背景，介绍一种普适性较高的解包算法，开发者可根据实际应用中的数据特性，进一步细化。首先建立一个适当容量的环形缓冲区，软件实现可采用结构体，包含读、写指针，一维数组，数组长度，并在读写过程中循环遍历数组元素。由于RS422总线是异步串行通信，收发时差可能导致数据缺失，故需要将每周期接收到的数据依次存放在环形缓冲区，并在接收数据长度大于目标数据长度后，进行搜索解包。环形缓冲区利用写指针进行存储，读指针进行解析，解包成功后读指针将跳过当前数据包，以避免重复解析，如此循环首尾相接。图3所示为环形缓冲区，目标包头为0xAA55，标识位0x01，消息长度0x08，check为补码校验位。当环形缓冲区（a）的数据长度大于目标数据包长度时，开始从strat处搜索解包，读取前4个字节，读指针移动见（b），依次判断包头、字节长度是否正确，若正确则进行校验和计算，读指针移动至（e），根据校验结果取出或丢弃当前数据包。当包头判断错误时，读指针需要回退3个字节，如（c）所示，此时需要考虑0xAAAA55的情况。当包头正确，字节长度错误时，读指针需要回退2个字节，如（d）所示，此时需要考虑0xAA55AA55的情况，以避免丢包。当接收消息不唯一时还需要判断标识位，同理可利用上述方法，但需要注意读指针回退的字节长度。另外，环形缓冲区每次写入和读出都需要判断是否发生溢出，即读、写指针移动到存储数组的最后一个字节时，返回起始strat位置，重新开始下一轮的解析。

　　5结语

　　本文研究了一种RS422总线通信数据管理及解析方法，对使用RS422总线遇到的常见问题进行了分析，并针对接收丢包、重复开发、缺乏统一管理等问题设计了一套通用的管理解析方法。依次介绍了数据管理配置、发送接收流程以及解包算法。经实际工程验证，该方法有效解决了丢包等问题，并在一定程度上提升了开发效率，可应用于不同的需求场景。

　　参考文献：

　　[1]姬进.一种通用可配置RS422总线管理技术[J].电子测试,2018,000(003):164-165.

　　[2]邢达波,艾波.机载RS422总线采集技术应用研究[J].中国科技信息,2016,000(021):73-74.

　　[3]邢达波,李铁林,艾波.机载RS422总线数据异常分析研究[J].中国科技信息,2017(2):28-29.

　　[4]王彦庆,宁亚峰,谷计划.浅论机载RS422总线采集技术应用研究[J].工程技术(引文版),2017(1):00312-00312.

　　作者：宋丫 宁慧君 白曦

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