两种MCU间的串行通信协议设计

引言
    Cortex-M3是ARM公司推出的32位处理器，使用了最新一代的ARMv7架构，具有高性能、低功耗和低成本的优点。对那些对功耗与成本敏感、但又要求较高性能的嵌入式应用来说，Correx-M3无疑是最佳解决方案；而对成本要求苛刻、运算能力要求不高的设备来说，嵌入成熟稳定的8051处理器，已经成为了业内的流行做法。目前，越来越多的嵌入式系统同时使用了上述两种MCU，因此如何使Cortex-M3与8051之间可以高效地进行信息交互，是实现设计目标的关键。

1 方案设计
    要进行信息交互，离不开物理接口。在嵌入式应用中，目前常用的接口有UART、SPI和I2C等串行接口。UART接口只需两根数据线就可以工作，时序控制简单，大部分设备都整合了这种接口。而且，经过电平转换后UART的TTL电平可以转换成RS232电平，RS232接口是计算机标准配置的通信接口，可以通过超级终端查看串口的数据，便于使用PC机对线路进行检测分析。因此，本设计采用UART接口作为Cortex-M3与C51之间的通信接口。
    考虑到各种需求，本文设计了一种基于UART接口的，用于Cortex-M3和C51之间的通信协议，使Cortex-M3与C51之间可以高效地进行信息交互。当两个MCU之间需要进行通信的时候，发送方把原始数据下放给通信协议，通信协议按照特定格式把数据打包，通过UART接口发送给对方。接收方收到数据时，MCU运行相应的通信协议，把数据解包，就可以得到发送方的原始数据，将其交付给上层程序。体系结构如图1所示。

    如果使用其他串行接口，原理大体相同，只需对硬件作相应改动，即对接口控制模块稍作修改即可投入使用。
    下面以实际工程中某种多媒体系统为例详细说明。该系统采用了以Cortex-M3为内核的STM32处理器和嵌入了C51核的MST776视频处理芯片，使用UART接口进行通信。

2 具体实现
2．1 硬件设置
    具体的器件不同，UART的工作方式也有所区别，主要表现在波特率、停止位、数据字长度等参数上。当两个器件用UART连接时，所有参数必须完全一致，否则通信很容易出错。在此，要特别注意波特率的设置：当线路质量好的时候，波特率可以设置得高点，以获得较高的传输速率；线路质量差的时候，就要减小波特率，以降低误码率。
    本设计中，STM32与MST776都整合了UART接口，只需配置少量电阻；同时，线缆长度不超过20 cm，使用环境的电磁干扰小，波特率可以设置为38 400bps，甚至更高。另外，考虑到C51的处理速度较低，因此波特率不应设置得太高，避免造成C51侧数据溢出，进而造成死机。
    本设计只需使用两根数据线来实现两个MCU之间的互连，把STM32上选定的UART接口的TX与对端的UART接口的RX相连，把RX与对端的UART接口的TX相连。
2．2 软件设计
2．2．1数据帧解析
    Cortex-M3侧和C51侧采用同样的数据帧格式，以简化编程的难度，增强程序的可移植性。数据帧由起始标识符、数据长度、类型ID、通信内容、循环冗余校验码构成，如图2所示。

    (1)起始标识符
    起始标识符的作用主要是用于定界，把不同的数据帧在一连串的数据中分离开来。起始标识符内的数据不能与数据帧中可能出现的任何数据相同，否则会引起歧义，导致定界失败，造成数据错误。在本例中，为2个字节，选用0xFF+0xAA，因为该组合与其他数据具有排他性，不会引起歧义。
    (2)数据长度
    数据长度的计算方法为，从该位开始，到最后一个数据位结束，也就是CRC校验位之前的一个字节。虽然使用Length位可以表示很长的数据帧，但在应用中应尽量采用短帧，以避免各种干扰因素造成少数数据位出错，导致大量数据无效，影响通信效率。同时，应该设置一个最大发送长度，以便设置超时重传计时器的值。本例采用1个字节，最大帧长为260个字节。
    (3)类型ID
    根据实际需要，类型ID可以采用1个或多个字节，用于表示该数据帧的作用类型。本例中，采用1个字节，可以表示256种作用类型，例如设备参数帧(如音量)、线路探测帧或应答帧。
    (4)通信内容
    通信内容与类型ID结合，表达特定意义。相同的Data，但ID不同的话，表达的信息不一样。根据不同的ID，Data的长度可能会有所不同。
    (5)循环冗余校验码
    循环冗余校验码用于校验接收到的数据是否在传输过程中出错。本例中采用CRC-16算法，占2个字节，对从起始标识符开始到最后一个通信内容位的所有数据进行运算，把得到的结果附在最后。
2．2．2 收发流程
    发送流程：将要发送的数据添加起始标识符和长度后，计算CRC-16校验码，附在最后，形成一个完整的数据帧，然后通过UART发送出去。发送完毕后启动超时重传计时器。
    接收流程：当接收到一个字节的数据时，根据系统状态采取不同的操作。当数据上交后，上层程序根据类型ID和通信内容来作出相应的响应。具体流程如图3所示。

2．2．3 线路检测机制
    虽然本例中的UART接口是一种有线通信，而且线缆长度不超过20 cm，但仍有可能出现插口松脱、线缆铜芯断裂等情况，造成线路中断。对于转换成RS232电平的应用，虽然RS232的最大传输距离不超过15 m，但如果在恶劣的环境中使用，仍无法完全避免线路发生中断。因
此，有效的线路检测机制是必需的。
    本设计中，当本端系统状态为Null时，每间隔1 s就发送一个线路探测帧，类型ID=0x00，通信内容=0x55。同时，如果本端在5 s内收不到任何新数据或者线路探测帧，则表明线路中断，向上层程序发送线路中断报告。对于需要交互秒时间信息的应用，线路探测帧可以省略，只检测秒时间信息就可以达到线路探测的目的。
2．2．4 校正机制
    因为串行通信普遍存在误码的问题，因此简单有效的校正机制是必须的。由于采用的是点到点的串行接口，数据帧都是按照发送的先后顺序到达接收端，不会出现后一帧比前一帧早到的情况，只需要采用CRC-16和简单的ARQ机制，再加上超时重传机制，就可以提供高可靠的数据传输。
    接收方收到一个完整的数据帧之后，必须给发送方返回一个ACK帧，该帧的类型ID=0xFF。通信内容根据校验的结果有所不同：校验正确的，Data=1；校验失败的，Data=0。
    发送方发送完一个完整的数据帧之后，启动超时重传计时器。如果在计时器超时之前没有收到ACK帧，或者收到的ACK帧的Data为0，就重发上一个数据帧；当收到ACK帧之后，计时器归零。发送方只有在收到Data为1的ACK帧后，才能发送下一个数据帧。当连续超时5次时，表明线路中断，向上层程序发送线路中断报告。
    ACK帧和线路检测帧无须应答。发送这两种帧之后，无须设置超时重传计时器。
2．2．5 接口控制
    接口控制主要管理UART接口的收发，在此采用中断的方式来实现。若有数据需要发送，则必须等发送缓存为空时，才能把数据写入到发送缓存，否则会把旧的数据覆盖掉，造成数据丢失。当数据写入结束后，产生一个发送中断，通知MCU把数据通过UART接口发送出去。当收到一个数据时，UART产生一个中断信号，通知MCU把数据放入接收缓存，保存完成后清除中断信号，等待接收下一个数据。只需修改接口控制部
分，就可以适用于不同的硬件接口。

3 实验结果以及分析
    为了验证本串行通信协议的有效性，连接STM32和MST776的UART接口，在这两个MCU上运行本通信协议，并在线缆上引出两个探测点，使用MAX232芯片进行电平转换，然后接到PC机的RS232接口上，进行数据检测。通过Windows的超级终端，可以在PC机上看到UART接口收发数据的状况。同时，通过JTAG接口可以看到通信协议向上层程序交付的数据。
    实验结果表明，本通信协议工作正常，收发数据正确，校正机制和线路检测机制都工作良好。运行本通信协议后，两个MCU都没有出现数据溢出、死机等情况。这表明本文设计的串口通信协议能够实现预期的功能，令Cortex-M3与C51之间可以有效地进行信息交互。

结语
    本文基于Cortex-M3与C51之间的通信需求，设计了一种基于数据帧的通信协议，使得两个MCU间可以进行有效的信息交互。本设计已经在某型多媒体系统上得到应用，使用效果很好，表现非常稳定。本设计具有良好的可移植性和通用性，在另一个嵌入式项目中，经过对程序的少量修改，也在SPI接口上得到了应用。