多个单片机简单通讯框架

文章目录

  • 一、场景描述
  • 二、框架搭建
      • 设计思路
      • 通信协议设计
      • 2号单片机通讯框架
      • 框架优化建议
  • 三、2号单片机的通讯框架如何处理消息丢失和重传？
      • 消息丢失与重传机制设计
      • 改进的通信协议
      • 重传机制实现
      • 关键机制说明
      • 优化建议

一、场景描述

有3个单片机进行通讯，分别为1号，2号，3号。
1号与2号可以通讯，2号与3号可以通讯。

那么如果1号想通过2号，与3号进行通讯。

如何搭建2号的通讯框架，保证1号的通讯能够及时给3号，同时3号也能及时应答给1号。使用串口通讯，协议自定

二、框架搭建

设计思路

为了实现三个单片机之间的可靠中继通信，2号单片机需要设计一个高效的通讯框架。关键在于如何处理串口接收、消息转发和应答机制，同时保证消息的实时性和可靠性。

通信协议设计

首先需要定义一个简单但功能完整的通信协议：

消息格式: [SOF][源地址][目标地址][消息ID][长度][数据][CRC]- SOF: 起始字节 (0xAA)- 源地址: 发送方ID (1,2,3)- 目标地址: 接收方ID (1,2,3)- 消息ID: 标识消息类型 (0x01-命令, 0x02-数据, 0x03-应答)- 长度: 数据字段长度- 数据: 消息内容- CRC: 校验字节

2号单片机通讯框架

下面是2号单片机的通讯框架实现，使用状态机处理消息接收，使用双缓冲区实现消息转发：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>// 定义系统常量
#define SOF             0xAA
#define DEVICE_ID_1     0x01
#define DEVICE_ID_2     0x02
#define DEVICE_ID_3     0x03// 消息类型定义
#define MSG_CMD         0x01
#define MSG_DATA        0x02
#define MSG_ACK         0x03// 消息缓冲区大小
#define MAX_MSG_LENGTH  64
#define BUFFER_SIZE     5// 消息结构体
typedef struct {uint8_t src_addr;uint8_t dst_addr;uint8_t msg_id;uint8_t length;uint8_t data[MAX_MSG_LENGTH];uint8_t crc;
} Message;// 接收状态机枚举
typedef enum {RX_STATE_IDLE,RX_STATE_SOF,RX_STATE_SRC,RX_STATE_DST,RX_STATE_MSGID,RX_STATE_LENGTH,RX_STATE_DATA,RX_STATE_CRC
} RxState;// 全局变量
static Message rx_buffer[BUFFER_SIZE];
static Message tx_buffer[BUFFER_SIZE];
static uint8_t rx_head = 0;
static uint8_t rx_tail = 0;
static uint8_t tx_head = 0;
static uint8_t tx_tail = 0;
static RxState rx_state = RX_STATE_IDLE;
static uint8_t rx_index = 0;
static uint8_t crc_calculated = 0;// 串口初始化函数
void UART1_Init(void) {// 配置1号串口(与1号单片机通信)// 波特率、中断等配置
}void UART2_Init(void) {// 配置2号串口(与3号单片机通信)// 波特率、中断等配置
}// CRC校验计算
uint8_t calculate_crc(uint8_t *data, uint8_t length) {uint8_t crc = 0;for (uint8_t i = 0; i < length; i++) {crc ^= data[i];}return crc;
}// 发送消息函数
void send_message(Message *msg, uint8_t uart_id) {uint8_t buffer[MAX_MSG_LENGTH + 6];uint8_t index = 0;buffer[index++] = SOF;buffer[index++] = msg->src_addr;buffer[index++] = msg->dst_addr;buffer[index++] = msg->msg_id;buffer[index++] = msg->length;for (uint8_t i = 0; i < msg->length; i++) {buffer[index++] = msg->data[i];}buffer[index++] = calculate_crc(buffer, index);// 根据uart_id选择发送串口if (uart_id == 1) {// 通过UART1发送buffer} else {// 通过UART2发送buffer}
}// 1号串口接收中断处理函数
void UART1_RX_IRQHandler(void) {uint8_t data = UART1_ReadByte();switch (rx_state) {case RX_STATE_IDLE:if (data == SOF) {rx_state = RX_STATE_SOF;crc_calculated = data;}break;case RX_STATE_SOF:rx_buffer[rx_head].src_addr = data;rx_state = RX_STATE_SRC;crc_calculated ^= data;break;case RX_STATE_SRC:rx_buffer[rx_head].dst_addr = data;rx_state = RX_STATE_DST;crc_calculated ^= data;break;case RX_STATE_DST:rx_buffer[rx_head].msg_id = data;rx_state = RX_STATE_MSGID;crc_calculated ^= data;break;case RX_STATE_MSGID:rx_buffer[rx_head].length = data;rx_state = RX_STATE_LENGTH;crc_calculated ^= data;rx_index = 0;break;case RX_STATE_LENGTH:rx_buffer[rx_head].data[rx_index++] = data;crc_calculated ^= data;if (rx_index >= rx_buffer[rx_head].length) {rx_state = RX_STATE_CRC;}break;case RX_STATE_CRC:if (data == crc_calculated) {// 消息接收成功，加入接收缓冲区rx_head = (rx_head + 1) % BUFFER_SIZE;}rx_state = RX_STATE_IDLE;break;}
}// 3号串口接收中断处理函数(与UART1_RX_IRQHandler类似)
void UART2_RX_IRQHandler(void) {// 实现类似UART1_RX_IRQHandler的逻辑// 将接收到的消息存入rx_buffer
}// 主循环中的消息处理函数
void process_messages(void) {Message msg;// 处理从1号单片机接收的消息while (rx_tail != rx_head) {msg = rx_buffer[rx_tail];// 如果消息是给3号的，转发到3号if (msg.dst_addr == DEVICE_ID_3) {// 修改源地址为2号msg.src_addr = DEVICE_ID_2;send_message(&msg, 2);  // 通过UART2发送到3号}// 如果消息是给1号的(来自3号的应答)，转发到1号else if (msg.dst_addr == DEVICE_ID_1) {// 修改源地址为2号msg.src_addr = DEVICE_ID_2;send_message(&msg, 1);  // 通过UART1发送到1号}rx_tail = (rx_tail + 1) % BUFFER_SIZE;}
}// 主函数
int main(void) {UART1_Init();UART2_Init();// 启用中断UART1_EnableIRQ();UART2_EnableIRQ();while (1) {// 处理消息转发process_messages();// 其他任务// ...}
}

框架优化建议

  1. 优先级机制：为紧急消息设置高优先级，优先处理和转发。

  2. 流量控制：当缓冲区满时，发送忙信号给发送方，防止消息丢失。

  3. 超时重传：对重要消息实现超时重传机制，确保消息可靠传输。

  4. 状态监控：添加通信状态监控，统计消息收发成功率，便于故障排查。

  5. 中断处理优化：尽量减少中断处理时间，关键数据复制到缓冲区后尽快退出中断。

通过以上设计，2号单片机可以高效地实现1号和3号之间的消息中继，同时保证通信的实时性和可靠性。

三、2号单片机的通讯框架如何处理消息丢失和重传？

消息丢失与重传机制设计

为了处理消息丢失和实现可靠重传，2号单片机的通讯框架需要增加确认机制、超时处理和消息缓存功能。以下是具体实现方案：

改进的通信协议

在原有协议基础上增加序列号和确认应答：

消息格式: [SOF][源地址][目标地址][消息ID][序列号][长度][数据][CRC]- 序列号: 8位递增数字(0-255)，用于标识消息- 确认应答(ACK)格式: [SOF][源地址][目标地址][MSG_ACK][序列号][0][CRC]

重传机制实现

以下是改进后的2号单片机通讯框架代码，增加了消息缓存和重传机制：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>// 定义系统常量
#define SOF             0xAA
#define DEVICE_ID_1     0x01
#define DEVICE_ID_2     0x02
#define DEVICE_ID_3     0x03// 消息类型定义
#define MSG_CMD         0x01
#define MSG_DATA        0x02
#define MSG_ACK         0x03// 消息缓冲区大小
#define MAX_MSG_LENGTH  64
#define TX_BUFFER_SIZE  10
#define RX_BUFFER_SIZE  10
#define MAX_RETRIES     3
#define RETRY_TIMEOUT   100  // 毫秒// 消息结构体
typedef struct {uint8_t src_addr;uint8_t dst_addr;uint8_t msg_id;uint8_t seq_num;uint8_t length;uint8_t data[MAX_MSG_LENGTH];uint8_t crc;uint32_t timestamp;  // 发送时间戳uint8_t retries;     // 重试次数bool awaiting_ack;   // 是否等待确认
} Message;// 接收状态机枚举
typedef enum {RX_STATE_IDLE,RX_STATE_SOF,RX_STATE_SRC,RX_STATE_DST,RX_STATE_MSGID,RX_STATE_SEQ,RX_STATE_LENGTH,RX_STATE_DATA,RX_STATE_CRC
} RxState;// 全局变量
static Message tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE];  // 发送缓冲区(用于重传)
static Message rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];  // 接收缓冲区
static uint8_t tx_head = 0;
static uint8_t tx_tail = 0;
static uint8_t rx_head = 0;
static uint8_t rx_tail = 0;
static RxState rx_state = RX_STATE_IDLE;
static uint8_t rx_index = 0;
static uint8_t crc_calculated = 0;
static uint8_t next_seq_num = 0;  // 下一个发送的序列号// 串口初始化函数
void UART1_Init(void) {// 配置1号串口(与1号单片机通信)// 波特率、中断等配置
}void UART2_Init(void) {// 配置2号串口(与3号单片机通信)// 波特率、中断等配置
}// CRC校验计算
uint8_t calculate_crc(uint8_t *data, uint8_t length) {uint8_t crc = 0;for (uint8_t i = 0; i < length; i++) {crc ^= data[i];}return crc;
}// 发送消息函数
void send_message(Message *msg, uint8_t uart_id, bool store_for_retry) {uint8_t buffer[MAX_MSG_LENGTH + 7];uint8_t index = 0;buffer[index++] = SOF;buffer[index++] = msg->src_addr;buffer[index++] = msg->dst_addr;buffer[index++] = msg->msg_id;buffer[index++] = msg->seq_num;buffer[index++] = msg->length;for (uint8_t i = 0; i < msg->length; i++) {buffer[index++] = msg->data[i];}buffer[index++] = calculate_crc(buffer, index);// 根据uart_id选择发送串口if (uart_id == 1) {// 通过UART1发送buffer} else {// 通过UART2发送buffer}// 如果需要存储用于重传if (store_for_retry && msg->msg_id != MSG_ACK) {// 复制消息到发送缓冲区memcpy(&tx_buffer[tx_head], msg, sizeof(Message));tx_buffer[tx_head].timestamp = get_current_time();  // 获取当前时间tx_buffer[tx_head].retries = 0;tx_buffer[tx_head].awaiting_ack = true;tx_head = (tx_head + 1) % TX_BUFFER_SIZE;}
}// 1号串口接收中断处理函数
void UART1_RX_IRQHandler(void) {uint8_t data = UART1_ReadByte();switch (rx_state) {case RX_STATE_IDLE:if (data == SOF) {rx_state = RX_STATE_SOF;crc_calculated = data;}break;// 其他状态处理...(与之前类似)case RX_STATE_CRC:if (data == crc_calculated) {// 消息接收成功，加入接收缓冲区if (rx_buffer[rx_head].msg_id == MSG_ACK) {// 处理确认应答，标记对应消息已确认process_ack(&rx_buffer[rx_head]);} else {// 普通消息，转发并发送本地ACKforward_message(&rx_buffer[rx_head]);send_ack(rx_buffer[rx_head].src_addr, rx_buffer[rx_head].seq_num);}rx_head = (rx_head + 1) % RX_BUFFER_SIZE;}rx_state = RX_STATE_IDLE;break;}
}// 3号串口接收中断处理函数
void UART2_RX_IRQHandler(void) {// 与UART1_RX_IRQHandler类似，处理来自3号的消息
}// 处理确认应答
void process_ack(Message *ack) {uint8_t index = tx_tail;while (index != tx_head) {if (tx_buffer[index].awaiting_ack && tx_buffer[index].seq_num == ack->seq_num &&tx_buffer[index].dst_addr == ack->src_addr) {// 标记消息已确认tx_buffer[index].awaiting_ack = false;break;}index = (index + 1) % TX_BUFFER_SIZE;}
}// 转发消息
void forward_message(Message *msg) {Message forward_msg;memcpy(&forward_msg, msg, sizeof(Message));if (msg->dst_addr == DEVICE_ID_3) {// 转发到3号forward_msg.src_addr = DEVICE_ID_2;send_message(&forward_msg, 2, true);} else if (msg->dst_addr == DEVICE_ID_1) {// 转发到1号forward_msg.src_addr = DEVICE_ID_2;send_message(&forward_msg, 1, true);}
}// 发送确认应答
void send_ack(uint8_t dst_addr, uint8_t seq_num) {Message ack_msg;ack_msg.src_addr = DEVICE_ID_2;ack_msg.dst_addr = dst_addr;ack_msg.msg_id = MSG_ACK;ack_msg.seq_num = seq_num;ack_msg.length = 0;if (dst_addr == DEVICE_ID_1) {send_message(&ack_msg, 1, false);} else {send_message(&ack_msg, 2, false);}
}// 检查并重传超时消息
void check_and_retransmit(void) {uint32_t current_time = get_current_time();uint8_t index = tx_tail;while (index != tx_head) {if (tx_buffer[index].awaiting_ack && (current_time - tx_buffer[index].timestamp > RETRY_TIMEOUT)) {// 检查重试次数if (tx_buffer[index].retries >= MAX_RETRIES) {// 达到最大重试次数，处理失败handle_transmission_failure(&tx_buffer[index]);tx_buffer[index].awaiting_ack = false;} else {// 重传消息tx_buffer[index].retries++;tx_buffer[index].timestamp = current_time;if (tx_buffer[index].dst_addr == DEVICE_ID_1) {send_message(&tx_buffer[index], 1, false);} else {send_message(&tx_buffer[index], 2, false);}}}index = (index + 1) % TX_BUFFER_SIZE;}// 清理已确认的消息while (tx_tail != tx_head && !tx_buffer[tx_tail].awaiting_ack) {tx_tail = (tx_tail + 1) % TX_BUFFER_SIZE;}
}// 处理传输失败
void handle_transmission_failure(Message *msg) {// 可以实现错误日志记录或通知上层应用
}// 获取当前时间(伪代码，需根据实际硬件实现)
uint32_t get_current_time(void) {// 返回系统时间(毫秒)return 0;
}// 主循环中的消息处理函数
void process_messages(void) {// 检查并重传超时消息check_and_retransmit();// 处理接收缓冲区中的消息while (rx_tail != rx_head) {// 处理消息...rx_tail = (rx_tail + 1) % RX_BUFFER_SIZE;}
}// 主函数
int main(void) {UART1_Init();UART2_Init();// 启用中断UART1_EnableIRQ();UART2_EnableIRQ();while (1) {// 处理消息转发和重传process_messages();// 其他任务// ...}
}

关键机制说明

  1. 序列号管理：

    • 每个消息分配唯一序列号(0-255循环)
    • 用于识别重复消息和匹配ACK应答

  2. 确认应答机制：

    • 接收方收到消息后发送ACK应答
    • ACK包含原始消息的序列号
    • 发送方维护待确认消息列表

  3. 超时重传：

    • 设置合理的超时时间(RETRY_TIMEOUT)
    • 超过时间未收到ACK则重传
    • 限制最大重试次数(MAX_RETRIES)

  4. 消息缓存：

    • 使用环形缓冲区存储待确认消息
    • 消息包含发送时间戳和重试次数

优化建议

  1. 滑动窗口协议：

    • 扩展当前实现，支持多消息并发发送
    • 增加窗口大小参数，提高吞吐量

  2. 动态超时调整：

    • 根据网络状况动态调整超时时间
    • 实现往返时间(RTT)测量

  3. 流量控制：

    • 当发送缓冲区满时拒绝接收新消息
    • 实现基于窗口的流量控制机制

  4. 错误恢复：

    • 实现序列号回滚机制
    • 处理序列号溢出情况

通过以上机制，2号单片机可以有效处理消息丢失问题，确保1号和3号之间的通信可靠性。

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