PC机与嵌入式设备通信协议设计原则

2021年10月5日 19点热度 0条评论 来源: RimeLink

PC机与嵌入式设备通信协议设计原则

嵌入式设备在运行中需要设置参数,这个工作经常由PC机来实现,需要为双方通信设计协议,有代表性协议是如下三种:

表1 三种常见通信协议

名称

固定二进制

变长二进制

纯文本协议

代表

DL645

ASN.1

XML

实例

Vog:4Bytes

Cur:4Bytes

01 04 Vol

02 04 Cur

Vol=100V,

Cur=5A

适合场合

长度内容固定

单帧数据较短

提供数据模型

长度灵活可变

数据内容、长度、

交换格式不受限

优点

编解码简单,效率高,占用内存少

长度灵活,可以实现嵌套

可读性极佳,十分灵活,跨平台

缺点

可读性差,长度

受限,不易扩展

可读性较差,

编解码较复杂

占用内存多,编解码耗时

从上表可以看到,一般嵌入式设备内存和运算性能都有限,因此固定二进制是首选通信协议。

一.  简单性

保证协议是一个简单的方案,晦涩难懂往往意味着实现困难和容易出错。协议的结构宜采用平面方式,每个域作用明确,数据域尽可能设计得长度和位置固定,注释详尽,文档清晰,实例丰富,让人尽快上手和理解。

协议一般都需要以下域:帧头,长度,帧类型,目标地址,源地址,数据,校验,帧尾。

二.  可扩展

必须保证将来增加功能和更改硬件后协议仍能胜任工作,这往往是通过预留空间来实现,协议的变更应该只是量的增加,不至于引起协议结构的变化。

三.  低耦合

理想情况下每个协议包是原子信息,即本协议包不与其他协议包牵连,以防止通讯丢帧和设置牵连带来的错误。

四.  稳定性

协议包长度适宜:太小包含的信息过少,协议包的种类繁多,容易引起通讯混乱和牵连错误;太大包含的信息过多,可读性较差,组帧和解帧的工作困难,还会带来通讯易受干扰的缺陷,一般协议长度以最小原子性信息为标尺。

协议必须包括校验机制,以便于接收方判别协议包正确完整接收,如果出错需要较好的机制来确保通讯成功(如重传)。

五.  高效率

按信息类型区分协议包类别,如:设置网络信息参数,设置当前运行参数,可以区分开来,方便程序处理。

将同种操作编码为一个子集是一种高效手段,如Read操作,编码为0x0010,Write操作,编码为0x0020。

数据尽可能设计成同构模式,如果实在有差异,至少将同类型数据放置在一起,这样程序可以充分利用指针和线性寻址加速处理。

六.  易实现

尽量减少复杂算法的使用,如,通讯链路稳定,数据帧的校验码可以由CheckSum代替CRC。除非资源非常紧张,否则不要将过多的信息挤压在一个数据里,因为它会带来可读性差和实现困难。

七.软件开发

尽可能地让硬件ISR完成驱动工作,不要让“进程”参与复杂的时序逻辑,否则处理器将步履蹒跚且逻辑复杂!如:

接收固定长度的数据帧,可以使用DMA,每接收完一帧DMA_ISR向进程发消息。小心处理DMA断层异常(接收的数据帧长度正常但数据错误,数据为上帧的后半部分+本帧的前半部分)。

接收不定长的数据帧,可以使用状态机,当接收到“帧尾数据”时向进程发消息。小心数据紊乱和超时异常(数据紊乱时需要将状态机及时复位,超时一般使用定时器监控)。

八. 考虑硬件

如果通信链路是高速总线(如SPORT可达100Mbps),一般设计成一帧产生一次中断,它通过长度触发的DMA来实现,需要将协议设计成固定长度,如附录A。它具备高效率,但灵活性较差。

如果通信链路是低速总线(如UART一般100kbps),一般接收一字节产生一次中断,可以将协议设计成变长帧,如附录B。它具备高灵活性,但效率较低。

 

附录A 一个基于DMA传输固定长度的协议实例。

图1显示了PC发送数据帧的格式,总长为64字节,是4字节的整倍数,符合绝大部分32位处理器结构体对齐的特性。

0x3C:INT8U,帧头,可见字符’<’

Len:INT8U,本帧的总数据长度,在图4即为64

Dst:INT8U,标识目标设备的ID号

Src:INT8U,标识源设备的ID号

Data:56字节的存储区,内容依赖于具体的通信帧(实例见表2)

Cmd:INT16U,数据帧的类别

CS:INT8U, 对它前面所有数据(62字节)进行8位累加和校验

0x7D:INT8U, 帧尾,可见字符’}’


图1 PC发送数据帧

表2  Data域数据结构实例

目的

给M&M08配置IEC61850协议通用部分

命令字

0x0010/0x0020/0x0030(1/2/3MU)

名称

字节

单位

说明

目标MAC

6

/

发送数据包的目标MAC地址

源MAC

6

/

发送数据包的源MAC地址

VLAN

4

/

0表示不添加,其他为VLAN值

通道映射

32

/

源数据映射到ASDU的数据集

APPID

2

/

应用标识符

ASDU数

1

/

应用服务数据单元个数

数据域总长度

51

/

不能超过图1数据帧的Data总长

 

附录B 一个基于变长格式的UART通信协议实例。

PC与iWL880A(一种无线通信产品,详见www.rimelink.com)通信帧采用变长格式,如下图所示。大部分设备(常见为PC机)对于接收以“回车符”的机制很好处理,协议中的Tail就等于0x0D(换行符)。


    原文作者:RimeLink
    原文地址: https://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/50273105
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