嵌入式开发之串行数据处理

前题

前面几篇文章写了关于嵌入式软件开发时,关于串行数据处理的一些相关内容,有兴趣的可以看看《嵌入式开发:软件架构、驱动开发与串行数据处理》、《嵌入式软件开发之生产关系模型》和《嵌入式开发之Modbus-RTU协议解析》相关的内容。从业十几年,深刻感觉到在当前计算机和单片机的架构下,处理好串行数据,将大大提升软件运行的稳定性。

概述

在物联网设备开发过程中,我们可以发现不管是采集传感器数据,还是和服务器进行通讯,涉及到交互的地方,设备间的数据都是以串行的方式进行交互的。下面以读取Modbus-RTU传感器的数据为例,报文格式如下:

设备处理器以MCU为例,基于RS485总线进行交互,设备会将打包好的数据放入UART的发送寄存器,一次发送一个字节,首先发送0x01,然后依次发送完成这8个字节的数据,现在应用中一般是轮询发送(有数据发送时不停判断发送寄存器是否为空,为空时将要发送的数据继续放入,直到所有数据都发送完),中断接收(当接收完一个字节数据时产生中断,应用程序将接收寄存器中的数据保存下来)。发送的过程中有可能被中断,也有可能被干扰,数据有可能会产生错误码。发送时串口是轮询模式,相当于独占了MCU的资源,如果RAM足够大的话也可以采用中断发送的模式,创建一个发送的环形队列,需要发送的数据放入环形队列后,触发发送中断,发送完成后如果队列中还有数据就继续发送并触发中断,直到最后一个数据发送完成,这个在这里不展开讲了,这里只说处理数据的过程。

接收数据也是在初始化串口时候创建了一个环形队列,产生接收中断时就将数据放入环形队列中,这里也多说一句,老工程师在写代码时,经常就是一个buf存放数据,在中断中判断超时,如果超时了就从中断中推出来,然后去解析buf里的数据,以前的设备处理的功能比较简单,功能也比较单一,这么做不会影响啥,但是现在的设备串口上挂着很多设备,比如我们的产品,有一个串口挂着蓝牙通信,一个串口挂着4G通信,一个串口挂着串口屏,再加上这个挂传感器的串口,如果一个串口停在中断里,其它的串口都有可能会丢数,问题会比较严重。

串口中断只负责接收数据,相当于这个系统的数据生产者,它不管其他模块去怎么消费这些数据。

创建一个任务,间隔性的查询环形队列里是否有数据,满足最小报文的长度,当满足报文长度时开始解析,解析时如果队列前面有无效字节,需要删除无效字节数,然后解析出完整的报文,并将完整的报文提取后进行处理,等下一个周期再去检查是否接收了完整的数据包,环形队列的长度一般要能够满足两三条报文的长度,这样避免粘包出现时,新数据将老数据冲掉。

解析串行数据需要考虑断包,粘包,校验错误等问题。在利用生产关系模型将其结构化后,这些问题会很好解决。

串行数据开始解析时,先从缓存中预提取一定长度数据出来,然后开始找报文头,确定报文头后就可以将报文头前面无效字节删除,然后提取报文长度,计算报文校验,这里比较关键如果报文长度有问题时,比如长度非法或者长度不够一包数据时,如何处理?长度非法的情况下需要删掉报文头一个字节,重新开始查找报文头。如果报文长度不够,就不做任何处理,退出循环,再次判断环形队列的长度,待长度满足最小报文长度时继续解析处理。以此类推,解析数据不一定要在一个循环里完成,要考虑在多次循环重入时怎么解决问题。这样做的另外一个好处就是会增强系统的实时性,尽量缩短单次循环处理数据的周期,能让大循环的周期尽量的短。

下面提供一组环形队列处理的接口定义,仅供参考,有兴趣可以发邮件或者留言交流一下:

复制代码
int32_t fifo_init(fifo_t *pfifo,uint8_t *buf,uint32_t size);
int32_t fifo_get_free_size(fifo_t *pfifo);
int32_t fifo_get_data_size(fifo_t *pfifo);
int32_t fifo_del_data(fifo_t *pfifo,uint32_t size);
int32_t fifo_read(fifo_t *pfifo,uint8_t *buf,uint32_t len);
int32_t fifo_pre_read(fifo_t *pfifo,uint8_t *buf,uint32_t len);
int32_t fifo_write(fifo_t *pfifo,const uint8_t *buf,uint32_t len);
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