摘要：在上位機和單片機通訊過程中，串口通訊是一種常見的通訊方式，特別是在高頻率的RFID串口通訊中，數(shù)據(jù)從單片機向上位機發(fā)送非?？?，此時穩(wěn)定且高效的串口分幀技術(shù)能從根本上保證數(shù)據(jù)通訊的正確性，本文基于多年項目實戰(zhàn)，總結(jié)出了一中基于幀頭特征位和協(xié)議校驗的分幀方法，在多種復雜串口通訊場景中均能正確高效分幀，為上層的業(yè)務系統(tǒng)切實提供了可靠的支撐。

　　關鍵詞：上位機，單片機，串口通訊，分幀

　　一.研究背景

　　在上位機和單片機的串口通訊中，當串口數(shù)據(jù)以協(xié)議的格式源源不斷地發(fā)送到上位機的時候，上位機就需要對數(shù)據(jù)進行分幀及后續(xù)的解析，能正確且高效地分幀是后續(xù)所有業(yè)務功能的關鍵，很多初學者在處理該算法時由于考慮不全面很容易走彎路，導致在分幀時不能100%正確或者效率低下致使程序運行緩慢，導致后續(xù)業(yè)務功能的不正確，根據(jù)常規(guī)的算法邏輯，一般的處理方法有兩種：延時等待一次性數(shù)據(jù)讀取和把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成字符串進行截取，但實際應用中發(fā)現(xiàn)這兩種方法均存在不完善的地方，本文在多年項實戰(zhàn)的基礎上，總結(jié)出一種直接解析串口字節(jié)數(shù)據(jù)流，根據(jù)協(xié)議本身進行校驗的分幀方法，首先直接解析字節(jié)流不涉及到對串口數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，節(jié)省了性能開銷，其次基于協(xié)議的校驗分幀可以應對各種數(shù)據(jù)格式和情況，能覆蓋數(shù)據(jù)的任意變化而始終保持正確的解碼率，給后續(xù)業(yè)務系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)解析支撐，該方法通過眾多項目的驗證特別是極限性能測試證明是有效的。

　　二.串口數(shù)據(jù)分幀常見算法及存在問題

　　針對于串口數(shù)據(jù)的非連續(xù)上傳而由用戶事件觸發(fā)的情況，比如IC讀卡器的刷卡，指紋儀中指紋認證，用戶的操作速度在和內(nèi)部程序處理的速度完全不在同一個數(shù)量級，同時鑒于串口數(shù)據(jù)在單片機MCU處理的時候本身就存在發(fā)送間隔，一般為50ms，可以利用這個特點在上位機進行延時等待，比如在上位機設置和MCU相同的停頓時間，在程序中使用線程停頓50ms，理想情況下，如果時序能保持一致，則可以和單片機取得同步，延時后讀取串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并進行處理，這種方法是最初級的方法，最直觀的特點是容易理解和操作，但數(shù)據(jù)一旦以非?？斓乃俣冗B續(xù)上傳，比如在RFID主機感應標簽的場景中，上位機和單片機保持完全同步是很困難的，這就會造成讀取的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)很多的非完整幀，當出現(xiàn)斷幀時而不進行首尾的拼接處理則意味著數(shù)據(jù)的丟失，在實際的測試中，這種情況下斷幀現(xiàn)象很明顯，所以這種最直觀的做法只適用于數(shù)據(jù)上傳速度很低的情況，高速的串口數(shù)據(jù)通訊中這種做法漏洞很大。

　　第二種常見的分幀方法則是將數(shù)據(jù)無論什么時候上傳過來就接收并轉(zhuǎn)化為字符串進行截取，并同時進行上下斷幀的首尾拼接處理，理論上來說，這種方法邏輯上沒有問題，在使用具體編程語言實現(xiàn)的時候，主要注意語句的書寫和處理，是能保證100%正確的分幀，但在實現(xiàn)的過程中有個無法回避的問題，即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符串時的性能消耗，一般情況下，在性能較好的PC上開發(fā)應用程序問題不大，但在硬件條件相對較低的嵌入式終端中，這樣處理數(shù)據(jù)也還是會遇到性能上的瓶頸，在目前的常用的編程語言中，字符串的處理都是相對消耗資源的，特別是數(shù)據(jù)類型的選型不合適，更會拖累程序的總體表現(xiàn)，比如String和StringBuilder的性能差別就很大，如此種種，在實際使用中，這種方法的實際效果也不盡如人意。

　　在走過一定的彎路后，開始從串口上傳的原始數(shù)據(jù)上重新審視既能正確分幀同時效率又高的方法，其實一切問題的解決都要從根源入手，通過對比常見的編程語言對串口數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)最原始的數(shù)據(jù)都是字節(jié)流，即字節(jié)數(shù)組，那么此時基于這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身不加任何類型轉(zhuǎn)換來對其進行處理將是效率最高的，同時，為了保持數(shù)據(jù)上傳的流暢度，程序中不能加任何的線程停頓，否則會導致數(shù)據(jù)積壓，遵循數(shù)據(jù)上傳的原始速度，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議統(tǒng)一讀入公共緩沖區(qū)，利用協(xié)議對其每一個字節(jié)流的數(shù)據(jù)進行分析，下面來詳細展開該算法的實現(xiàn)描述。

　　三.基于幀頭特征位和協(xié)議校驗分幀方法的算法實現(xiàn)

　　該算法的基礎是標準Modbus協(xié)議，支持在幀頭幀尾加上用戶自定義設置，以下面兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)幀片段為例：CC DD 02 01 48 F3 00 05 4A C4 D7 E4 02 02 B0 54 CC DD 02 01 48 06 00 01 02 FF 97 73，首先該數(shù)據(jù)的協(xié)議格式為如下表所示。

　　需要特別說明的是，上述協(xié)議中，前面4個字節(jié)是自定義格式部分，非標準Modbus協(xié)議格式，從第5位開始到一幀結(jié)束才是標準Modbus格式，即從物理地址到校驗，而校驗也是針對該幀中Modbus數(shù)據(jù)部分，幀頭的自定義內(nèi)容不參與校驗，根據(jù)協(xié)議并對上述2幀連續(xù)數(shù)據(jù)的特點進行分析，可以得出如下圖1所示的目標效果的分幀格式。

　　就數(shù)據(jù)特點而言，這是兩個不同類型的幀，數(shù)據(jù)長度不同，但即使相同，長度仍然不能成為分幀的依據(jù)，因為這里面可能有干擾數(shù)據(jù)，正確做法主要分為2個步驟，首先將讀取到的字節(jié)流按照循環(huán)對數(shù)據(jù)進行逐個解析，根據(jù)幀頭標志的特點確定幀頭的起始位置;定好幀頭后，由于校驗位是2位，當待解析的數(shù)據(jù)長度大于6(4位幀頭+2位校驗)時即開始計算校驗并逐位往后推進，當遇到校驗成功時即代表分出一個完整有效的幀，此時將該幀提交到業(yè)務邏輯進行處理，重新從下一位數(shù)據(jù)位按照上述規(guī)則進行分幀，如此循環(huán)往復，程序算法描述如下。

　　聲明字節(jié)流變量allData和frameData，分別代表一次串口讀到的所有數(shù)據(jù)和分幀數(shù)據(jù)的臨時存儲，聲明整形變量all_Length和frame_Length分別代表所有數(shù)據(jù)的長度和當前數(shù)據(jù)幀位置指針，算法具體實現(xiàn)：

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