串口数据解包方法的研究

2020-04-11夏志飞赵雷凌云科技集团有限责任公司

航空维修与工程 2020年2期

■ 夏志飞赵雷/凌云科技集团有限责任公司

串口通信常用于计算机及嵌入式设备的数据通信，尤其是在远程控制、测试测量等工业应用中，数据经常以数据包的形式传输，发送数据时需封包，接收数据时需解包，准确无误地解包是一项非常重要的工作。

1 串口通信

目前常见的串口通信接口标准有RS-232、RS-422、RS-485等，其中，RS-232是美国电子工业协会（EIA）在20世纪60年代发布的通信协议，方便不同厂家产品之间数据的通信；RS-422在RS-232的基础上提高了传输距离和抗干扰能力；RS-485又在RS-422的基础上增加了多点双向通信能力[1]。这几种标准只规定了通信接口的物理层电气标准，在此基础上，用户可以建立自己的高层通信协议。

对于工程应用而言，信息传输的稳定性以及正确性非常重要，如果每次传输的数据超过一帧，一般就采用数据包的形式传输。如图1所示，每个数据帧由多个连续的位（Bite）构成，通常包括起始位、数据位、校验位和停止位，数据位长度一般为5～9，每个数据包又由多个连续的数据帧构成。串口通信的速率相对较低，一般数据量有限，采用单数据包机制，少数也有采用类似网络通信分层处理方式的，但中间层一般还是采用数据包机制。

2 数据包格式分析

为了避免数据传输中的混乱与错误，便于数据的解释与分析，数据包之间必须有明显的标志，通常基于以下两种方式。

1）基于特殊字符

以特殊字符作为数据包的开始，再根据帧尾或帧长确定整个数据包，具体的格式很多，如包头+数据+校验+包尾、包头+数据长度+数据+校验值等，优点是特殊字符识别容易、逻辑简单，缺点是数据域中不能包含包头、包尾，当然可通过增加转义符的方式来避免，只是要增加额外的处理。

图1 数据包结构

2）基于时间

数据包内数据连续传输，数据包间存在一定的间隔时间。优点是比较通用，绝大部分串口通信都不是满负荷传输，数据包间都存在较大的时间间隙；缺点是处理稍复杂，需要判定时间。

当然，以上两种方法经常结合在一起使用，可以减少数据传输中出现的异常，共同保证了数据传输的可靠。

3 实用解包方法

串口数据包的解包过程通常分为数据包分割、数据提取与分析两部分，在不清楚串口通信协议的情况下，还需反推数据帧和数据包的格式。

1）数据帧格式反推

在缺少资料的情况下，可直接基于串口通信物理接口进行分析，采用示波器分析可知串口通信的类型。RS-232一般采用三线制传输数据，少数采用五线制传输数据，标准RS-232信号电平为±12V；单片机之间的通信有时也采用TTL电平标准。RS-422/RS-485采用四线或双线差分传输，差分电压一般为±5V。

确定串口通信标准后，还需确定数据帧的格式。采用逻辑分析仪进行分析较为方便，部分逻辑分析仪如Saleae Logic等包含了串行总线数据分析功能（见图2）[2]，设定串口数据帧的波特率、数据位长度、停止位、校验位等参数后再分析采样数据，尝试几次便可确定数据帧的格式。