单片机 | 一种串口高效收发数据的实现方法_嵌入式大杂烩 ...

摘要：本文在探讨传统数据收发不足之后，介绍如何使用带FIFO的串口来减少接收中断次数，通过一种自定义通讯协议格式，给出帧打包方法；之后介绍一种特殊的串口数据发送方法，可在避免使用串口发送中断的情况下，提高系统的响应速度。

1. 简介

串口由于使用简单，价格低廉，配合RS485芯片可以实现长距离、抗干扰能力强的局域网络而被广泛使用。随着产品功能的增多，需要处理的任务也越来越复杂，系统任务也越来越需要及时响应。

绝大多数的现代单片机（ARM7、Cortex-M3）串口都带有一定数量的硬件FIFO，本文将介绍如何使用硬件FIFO来减少接收中断次数，提高发送效率。在此之前，先来列举一下传统串口数据收发的不足之处：

（1）每接收一个字节数据，产生一次接收中断。不能有效的利用串口硬件FIFO，减少中断次数。

（2）应答数据采用等待发送的方法。由于串行数据传输的时间远远跟不上CPU的处理时间，等待串口发送完当前字节再发送下一字节会造成CPU资源浪费，不利于系统整体响应（在1200bps下，发送一字节大约需要10ms，如果一次发送几十个字节数据，CPU会长时间处于等待状态）。

（3）应答数据采用中断发送。增加一个中断源，增加系统的中断次数，这会影响系统整体稳定性（从可靠性角度考虑，中断事件应越少越好）。

（4）针对上述的不足之处，将结合一个常用自定义通讯协议，提供一个完整的解决方案。

2.串口FIFO

串口FIFO可以理解为串口专用的缓存，该缓存采用先进先出方式。数据接收FIFO和数据发送FIFO通常是独立的两个硬件。

串口接收的数据，先放入接收FIFO中，当FIFO中的数据达到触发值（通常触发值为1、2、4、8、14字节）或者FIFO中的数据虽然没有达到设定值但是一段时间（通常为3.5个字符传输时间）没有再接收到数据，则通知CPU产生接收中断；发送的数据要先写入发送FIFO，只要发送FIFO未空，硬件会自动发送FIFO中的数据。

写入发送FIFO的字节个数受FIFO最大深度影响，通常一次写入最多允许16字节。上述列举的数据跟具体的硬件有关，CPU类型不同，特性也不尽相同，使用前应参考相应的数据手册。

3.数据接收与打包

FIFO可以缓存串口接收到的数据，因此我们可以利用FIFO来减少中断次数。以NXP的lpc1778芯片为例，接收FIFO的触发级别可以设置为1、2、4、8、14字节，推荐使用8字节或者14字节，这也是PC串口接收FIFO的默认值。

这样，当接收到大量数据时，每8个字节或者14个字节才会产生一次中断（最后一次接收除外），相比接收一个字节即产生一个中断，这种方法串口接收中断次数大大减少。

将接收FIFO设置为8或者14字节也十分简单，还是以lpc1778为例，只需要设置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。

接收的数据要符合通讯协议规定，数据与协议是密不可分的。通常我们需要将接收到的数据根据协议打包成一帧，然后交由上层处理。下面介绍一个自定义的协议帧格式，并给出一个通用打包成帧的方法。

自定义协议格式如图3-1所示。

• 帧首：通常是3~5个0xFF或者0xEE

• 地址号：要进行通讯的设备的地址编号，1字节

• 命令号：对应不同的功能，1字节

• 长度：数据区域的字节个数，1字节

• 数据：与具体的命令号有关，数据区长度可以为0，整个帧的长度不应超过256字节

• 校验：异或和校验（1字节）或者CRC16校验（2字节），本例使用CRC16校验

下面介绍如何将接收到的数据按照图3-1所示的格式打包成一帧。

3.1 定义数据结构

3.2 初始化数据结构，一般放在串口初始化中

3.3 数据打包程序

使用例子：

定义数据结构体变量：

定义接收数据缓冲区：

在串口初始化中调用结构体变量初始化函数：

在串口接收中断中调用数据打包函数：

其中，rec_buf是串口接收临时缓冲区，data_len是本次接收的数据长度。

4.数据发送

前文提到，传统的等待发送方式会浪费CPU资源，而中断发送方式虽然不会造成CPU资源浪费，但又增加了一个中断源。在我们的使用中发现，定时器中断是几乎每个应用都会使用的，我们可以利用定时器中断以及硬件FIFO来进行数据发送，通过合理设计后，这样的发送方法即不会造成CPU资源浪费，也不会多增加中断源和中断事件。

需要提前说明的是，这个方法并不是对所有应用都合适，对于那些没有开定时器中断的应用本方法当然是不支持的，另外如果定时器中断间隔较长而通讯波特率又特别高的话，本方法也不太适用。

公司目前使用的通讯波特率一般比较小（1200bps、2400bps），在这些波特率下，定时器间隔为10ms以下（含10ms）就能满足。如果定时器间隔为1ms以下（含1ms），是可以使用115200bps的。

本方法主要思想是：定时器中断触发后，判断是否有数据要发送，如果有数据要发送并且满足发送条件，则将数据放入发送FIFO中，对于lpc1778来说，一次最多可以放16字节数据。之后硬件会自动启动发送，无需CPU参与。

下面介绍如何使用定时器发送数据，硬件载体为RS485。因为发送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引脚，需跟硬件密切相关，以下代码使用的硬件为lpc1778，但思想是通用的。

4.1 定义数据结构

4.2 定时处理函数

其中，RS485ClrDE为宏定义，设置RS485为发送模式；RS485SetDE也为宏定义，设置RS485为接收模式。

使用例子：

定义数据结构体变量：

定义发送缓冲区：

根据使用的硬件串口，对定时处理函数做二次封装：

将封装函数uart0_send_data();放入定时器中断处理函数中；

在需要发送数据的地方，设置串口帧发送结构体变量：

5. 总结

本文主要讨论了一种高效的串口数据收发方法，并给出了具体的代码实现。在当前处理器任务不断增加的情况下，提供了一个占用资源少，可提高系统整体性能的新的思路。

仅供大家学习参考与知识传播，版权归原作者所有，如有侵权，麻烦联系进行删除，感谢~

往期推荐

实用 | 10分钟教你通过网页点灯

嵌入式中输出调试有几种方法？

协议解析中的神操作：结构体嵌入共联体

干货 | 嵌入式之状态机编程

实用 | 手头上无LCD却又急着开发UI？LCD模拟器了解一下~

C语言从小菜鸡到老司机！

如何在MCU上测量代码执行时间？

实用STM32的串口控制平台的实现(建议收藏)

分享一份不错的嵌入式资料汇总贴

常见的嵌入式web服务器有哪些？

分享一篇很好的C指针文章，查缺补漏！

长文 | 编写优质嵌入式C程序的一些经验

工具 | Valgrind仿真调试工具的使用

基础 | 从这些知识点入手，学单片机就简单多了