CN112291256A - Uart网关数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UART数据传输方法，所述方法应用于UART网关通过协议转换将数据在总线网络上的不同设备之间进行传输，所述方法包括：定义UART网关报文格式，定义UART报文格式；UART网关收到UART报文时，先查找UART报文头中的uartSOP字段，然后开始接收报文内容，并同步进行字符转义译码；将uartTO字段的内容作为UART网关报文的gwTO字段，将净负载uartPayload字段的内容作为UART网关报文的负载gwPayload字段，然后将打包好的UART网关报文发送到总线网络；UART网关收到UART网关报文时，先检索gwTO字段对应的UART接口，如果没有检索到就放弃，如果检索到则按照格式化要求生成UART报文，并进一步完成转义编码，逐字节发送到对应的UART接口。本发明可以使UART配套产品方便的转接到其他总线网络，提高总线网络的兼容性，可扩展性。

Description

UART网关数据传输方法

技术领域

本发明涉及UART数据传输领域，具体涉及面向UART等串行数据传输控制，主要是为UART等串行通信设备的数据传输提供协议转换及数据分发的方法。

背景技术

UART是通用异步传输的总称，根据电平标准和拓扑结构的不同，UART又进一步细分成RS232、RS422、RS-LVDS、RS485等等。它以字符为单位进行数据传输。数据传输过程：发送器发送数据位前，先发送一个起始位，然后发送数据位和一个奇偶校验位，最后发送一个停止位作为字符结束的标志。起始位至停止位构成一帧，UART数据传输方式如图1，其中各位的定义如下：

起始位：表示传输字符的开始，是持续一个比特时间的低电平

数据位，紧跟在起始位之后。5~8位数据位结构成一个有效字符，传输数据时从最低位开始传输，可以由软件设置数据位的位数

校验位，在数据后加1或0，作为奇校验位或者偶校验位，以校验数据传输的正确性。可由软件配置奇校验位或者偶校验位也可不设奇偶校验位

停止位它是一个有效字符的结束标志，由软件设定是1位1.5位2位的高电平

空闲位，线路上没有数据传输时为高电平，当没有空闲位时数据传输效率最高。

当需要把这个***的一些配套产品平滑转接到其他总线网络时，需要考虑以下几种通信情形，如图2：

UART互通连接情形，需要的通信规程如下：

情形一：网络上只有单一的UART配套产品和单一的总线网络终端相互通信，

UART网关把从UART接口收到的数据逐字节广播到其他总线网络上的特定端口；总线网络终端从特定端口收到广播报文，提取数据。这样，实现了UART配套产品向总线网络终端的数据传输。

总线网络终端向特定端口发送广播报文；UART网关收到广播报文，提取数据，逐字节通过UART接口发送给UART配套产品。这样，实现了总线网络终端向UART配套产品的数据传输。

情形二：网络上两个UART配套产品借助总线网络进行通信，UART网关a把从UART接口收到的数据逐字节广播到总线网络上的特定端口； UART网关b收到广播报文，提取数据，逐字节通过UART接口发送给UART配套产品。这样，实现了两个UART配套产品之间的数据传输。

情形三：网络上存在若干个UART配套产品和总线网络终端，这时数据应该是具有方向性的，特定的节点只接收特定的一部分数据，所以不能全部采用广播方式传输；数据应该具有“包”属性，避免两组字节流交替传输混合在一起时破坏数据报文的含义；UART网关上可能带有多个UART接口，应该对这些接口具有寻址功能。

而现有技术中并未出现支持UART配套产品转接到其他总线网络中时，在各种情形下都可以互联互通方便的进行数据传输的技术方案。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提出了一种UART网关设备和总线网络之间进行数据转换传输的方法以及数据传输协议，以提高总线网络的兼容性，可扩展性。

根据本发明的一个方面，提供了一种UART数据传输方法，所述方法应用于UART网关通过协议转换将数据在总线网络上的不同设备之间进行传输，所述方法包括以下步骤：

S1：定义UART网关报文格式，所述UART网关报文格式包括电平标准gwType、数据位宽、波特率、负载长度gwLen、接收通道gwFrom、发送通道gwTO、净负载gwPayload等信息；

S2：定义UART报文格式，所述UART报文格式包含报文起始标记uartSOP、目的地址uartTO、净负载长度uartLen、净负载uartPayload、校验和uartCHK等信息；

S3：UART网关收到UART报文时，先查找UART报文头中的uartSOP字段，然后开始接收报文内容，并同步进行字符转义译码；在收到一个完整报文之后，计算和比对校验和uartCHK，如果计算结果与报文中的校验和不一致，则表明传输过程中出现了错误，直接丢弃这个UART报文；如果校验和一致，将uartTO字段的内容作为UART网关报文的gwTO字段，将净负载uartPayload字段的内容作为UART网关报文的负载gwPayload字段，然后将打包好的UART网关报文发送到总线网络；

S4：UART网关收到UART网关报文时，先检索gwTO字段对应的UART接口，如果没有检索到就放弃，如果检索到则按照转换格式要求生成UART报文，并进一步完成转义编码，逐字节发送到对应的UART接口。

进一步的，所述定义的UART网关报文格式中，

电平标准包括：RS422、RS232、RS485、RS-TTL、RS-LVDS标准；

数据位宽包括：5比特位，6比特位，7比特位，8比特位；

波特率包括：2.4kbps、4.8kbps、9.6kbps、19.2kbps、38.4kbps、76.8kbs、115.2kbps、230.4kbps、460.8kbps、921.6kbps、1843.2kbps、3686.4kbps；

负载长度：指UART负载数据的有效长度；

接收通道：指硬件接收UART数据的物理通道；

发送通道：指硬件发送UART数据的物理通道。

进一步的，所述定义的UART报文格式中，

报文起始标记uartSOP：用0xd5表示和检测一个报文的开始，这是UART线路上报文的实际第一个字节；

目的地址uartTO：指报文传输的UART目的端地址，用0xff表示发送给所有UART接口，其他取值则表示只有这个地址的UART接口才处理这个报文，其他地址即使收到了也不处理；

净负载长度uartLen：报文中包含的净负载长度，取值范围为[1, 3940]，当负载长度不超过127字节时用1个字节表示，数值就是负载长度；当负载长度超过127字节时用2个字节表示，第一个字节为(0x80+负载总长度/128)，第二个字节为(负载总长度%128)；

校验和uartCHK：从第2字节开始，所有字节相加再取反。

根据本发明的另一个方面，提供了一种协议转换装置，包括：

上行数据转换模块，用于收到UART报文时，先查找UART报文头中的uartSOP字段，然后开始接收报文内容，并同步进行字符转义译码；在收到一个完整报文之后，计算和比对校验和uartCHK，如果计算结果与报文中的校验和不一致，则表明传输过程中出现了错误，直接丢弃这个UART报文；如果校验和一致，将uartTO字段的内容作为UART网关报文的gwTO字段，将净负载uartPayload字段的内容作为UART网关报文的负载gwPayload字段，然后将打包好的UART网关报文发送到总线网络；

下行数据转换模块，用于收到UART网关报文时，先检索gwTO字段对应的UART接口，如果没有检索到就放弃，如果检索到则按照转换格式要求生成UART报文，并进一步完成转义编码，逐字节发送到对应的UART接口。

根据本发明的另一个方面，提供了一种UART网关，其包括所述协议转换装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

支持以字节为传输单位的Cut-Through传输模式，UART网关的转发过程理论上只会带来1个字节的延时，保证移接的实时性；

支持以包为传输单位的Store-Foword传输模式，UART网关的转发过程会带来1包的延时，但在多路传输时依然能保证数据完整性；

对于UART而言支持广播和单播（即支持寻址）。

附图说明

图1示出本发明的UART数据传输方式。

图2示出本发明的UART互通连接网络。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于本发明应用于将UART设备接入现有总线网络并实现设备之间数据传输，为了方便对本发明的理解，对现有技术中总线网络技术进行简要的介绍。复杂装备内部各个分***之间的通信网络称作“总线”，其中复杂装备包含民航飞机、军机、无人机、卫星、火箭、导弹、鱼雷、汽车、自动驾驶汽车、高铁等等。总线技术经过几十年的发展，形成了一个从低速到高速、从线形拓扑到星形拓扑的多种特性解决方案，具有代表性的协议标准包括MIL-SID-1553、CAN、LIN、FlexRay、Borad-R、AFDX\ARINC664、TTE\TTP、MIL-1394B、SpaceWare、FC-AE-ASM、FC-AE-1553等等。

如图2所示，UART网关的通信接口一端为与UART产品连接的传统UART总线接口，另一端为与总线网络连接的总线终端接口。一个UART网关可以包含单个传统总线接口，可以包含单一种类的多个接口，也可以包含多个种类的多个接口。UART网关从总线网络中接收到报文的时候，要能够从报文中提取足够的寻址信息，检索到对应的传统UART总线接口，然后把报文数据转发出去；UART网关把传统UART总线接口数据打包发送到总线网络的时候，接收端应能准确识别数据源的接口类型和序号。应允许两个UART网关之间的直接通信，例如把UART网关b的第m个RS422接口的数据，转发到UART网关a的第n个RS422接口，总线网络仅充当一个中继器。UART网关相关报文应具有明显的、一致的特征，协议分析软件仅从报文即可识别接口详细信息，例如接口类型、索引、去向等。UART网关应具有便捷的、统一的配置方法，配置结果可以保存在本地。

为了使UART网关实现以上功能，本发明的UART网关协议进行了如下设计：

在现有总线网络报文的Flag字段中，用1个bit表明报文类型为网关报文；

在现有总线网络报文负载中，进一步定义网关报文格式；

结合电气接口的具体特征，网关可以把一段时间的通信数据打包成一个报文，也可以把电气接口本身的报文二次封装成为一个现有总线网络报文；

网关报文可以选择通过总线网络控制器调度进行传输，还是使用总线网络终端通过自调度进行传输；

UART网关功能单元可以与一般总线网络终端集成在一起，也可以与总线网络控制器集成在一起，还可以与其他总线网络模块集成在一起。

网关报文是指在总线网络上传输的承载传统电气接口数据的报文。对网关报文的格式定义如下，网关报文包括三部分：

1）总线网络报文头（以及FCS）：这是总线网络报文的基本组成部分；

2）UART 网关报文头：对网关类型和数据的进一步描述；

3）UART 网关负载：报文承载的传统电气接口的数据。将这个数据部分进一步切分出接口报文头，用于指示网关子类型和一些特征参数，然后才是净数据。

UART 网关报文头包含5个字段，排列顺序及含义如下表所示：

gwSubType字段详解：

gwSubType的高4位定义UART接口的数据位宽，以索引值表示。

0~3 bit:保留

5：数据位宽为5；

6：数据位宽为6；

7：数据位宽为7：

8：数据位宽为8；

gwSubType的低4位定义UART波特率，以索引值表示，规定如下：

0：波特率2.4Kbps

1：波特率4.8Kbps

2：波特率9.6Kbps

3：波特率19.2Kbps

4：波特率38.4Kbps

5：波特率76.8Kbps

6：波特率115.2Kbps

7：波特率230.4Kbps

8：波特率460.8Kbps

9：波特率921.6Kbps

10：波特率1843.2Kbps

11：波特率3686.4Kbps

12~15：待定

波特率决定UART网关与配套产品之间的波特率，但并不要求进行波特率匹配，也就是说，某个网关以9.6Kbps接收的UART数据，另外一个网关可以通过115.2Kbps转发出去。

由于总线网络协议中的最大负载长度为3948字节，这时UART网关报文的附加信息为8个字节，所以UART报文的静负载最大长度为3940字节。

UART报文格式定义，包含5个字段，排列顺序及含义如下表所示：

字节序号	名称	说明
			1	uartSOP，报文起始标志	==0xd5，用来表示和检测一个报文的开始。这是UART线路上报文的实际第一个字节。
2	uartTO，目的地址	报文传输的UART目的端地址。0xff表示发送给所有UART接口，其他取值则表示只有这个地址的UART接口才处理这个报文，其他地址即使收到了也不处理。
			3~3+	uartLen，净负载长度	报文中包含的净负载长度，取值范围为[1,3940]。当负载长度不超过127字节时用1个字节表示，数值就是负载长度；当负载长度超过127字节时用2个字节表示，第一个字节为(0x80+负载总长度/128)，第二个字节为(负载总长度%128)。
4(+)~N	uartPayload，净负载	净负载，长度为1~3940
			N+1	uartCHK，校验和	从第2字节（uartTO）开始，所有字节相加再取反

字符转义：

为了保证UART线路上不会因为报文内容中包含有uartSOP（=0xd5）字符而引发歧义，本协议规定对报文内容中的字符0xd5进行转义，把原文（uartSOP以后）中的0xd5用连续2个字节0x8b 0xb8表示；同时，把原文中的0x8b用连续两个字节0x8b 0x8b表示；

发送端在校验和生成以后才进行转义，接收端在计算校验和之前进行转义。

传输过程：

上行传输时，网关首先查找UART报文头uartSOP，然后开始接收报文内容，并同步进行字符转义译码。在收到一个完整报文之后，用uartTO作为网关iGW报文的gwTO字段，将净负载uartPayload字段的内容作为网关iGW报文的负载gwPayload字段，然后发送到智能同步iRAX®总线。

注意一：网关iGW从UART接口接收到一个报文以后，应计算和比对校验和uartCHK。如果计算结果与报文中的校验和不一致，则表明传输过程中出现了错误，直接丢弃这个UART报文。

注意二：由于gwTO是变化的（是从UART报文中提取出来的，而不是从静态配置空间读取的），也就是说同一个UART接口的报文可能会发送给不同的其他网关。为了保证网络上的所有网关都能够收到这个报文，建议配置项gwTO=0xffff。这样，所有iRAX®节点都可以收到这个报文，但只有对这个报文感兴趣的节点才会进入后续处理。

注意三：为了避免UART报文中的长度字节错误导致报文不能正常结束，在接收报文的过程中，网关iGW应继续监视字节序列中出现的起始标志uartSOP。一旦出现了uartSOP，表明线路上已经出现了新的报文，这时网关iGW应立即中止当前的接收过程，清除缓存区，并立即开始下一个报文的接收。

对于下行传输，网关iGW收到报文以后，首先检索到gwTO对应的UART接口，如果没有检索到就放弃，如果检索到则按照格式化要求生成报文，并进一步完成转义编码，逐字节发送到对应的UART接口。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种UART数据传输方法，其特征在于，所述方法应用于UART网关通过协议转换将数据在总线网络上的不同设备之间进行传输，所述方法包括以下步骤：

S1：定义UART网关报文格式，所述UART网关报文格式包括电平标准gwType、数据位宽、波特率、负载长度gwLen、接收通道gwFrom、发送通道gwTO、净负载gwPayload等信息；

S2：定义UART报文格式，所述UART报文格式包含报文起始标记uartSOP、目的地址uartTO、净负载长度uartLen、净负载uartPayload、校验和uartCHK等信息；

S3：UART网关收到UART报文时，先查找UART报文头中的uartSOP字段，然后开始接收报文内容，并同步进行字符转义译码；在收到一个完整报文之后，计算和比对校验和uartCHK，如果计算结果与报文中的校验和不一致，则表明传输过程中出现了错误，直接丢弃这个UART报文；如果校验和一致，将uartTO字段的内容作为UART网关报文的gwTO字段，将净负载uartPayload字段的内容作为UART网关报文的负载gwPayload字段，然后将打包好的UART网关报文发送到总线网络；

S4：UART网关收到UART网关报文时，先检索gwTO字段对应的UART接口，如果没有检索到就放弃，如果检索到则按照格式化要求生成UART报文，并进一步完成转义编码，逐字节发送到对应的UART接口。

2.如权利要求1所述的UART数据传输方法，其特征在于，所述定义的UART网关报文格式中，

电平标准包括：RS422、RS232、RS485、RS-TTL、RS-LVDS标准；

数据位宽包括：5比特位，6比特位，7比特位，8比特位；

波特率包括：2.4kbps、4.8kbps、9.6kbps、19.2kbps、38.4kbps、76.8kbs、115.2kbps、230.4kbps、460.8kbps、921.6kbps、1843.2kbps、3686.4kbps；

负载长度：指UART负载数据的有效长度；

接收通道：指硬件接收UART数据的物理通道；

发送通道：指硬件发送UART数据的物理通道。

3.如权利要求1所述的UART数据传输方法，其特征在于，所述定义的UART报文格式中，

报文起始标记uartSOP：用0xd5表示和检测一个报文的开始，这是UART线路上报文的实际第一个字节；

目的地址uartTO：指报文传输的UART目的端地址，用0xff表示发送给所有UART接口，其他取值则表示只有这个地址的UART接口才处理这个报文，其他地址即使收到了也不处理；

净负载长度uartLen：报文中包含的净负载长度，取值范围为[1, 3940]，当负载长度不超过127字节时用1个字节表示，数值就是负载长度；当负载长度超过127字节时用2个字节表示，第一个字节为(0x80+负载总长度/128)，第二个字节为(负载总长度%128)；

校验和uartCHK：从第2字节开始，所有字节相加再取反。

4.如权利要求3所述的UART数据传输方法，其特征在于，进行UART报文封装时把报文起始标记以后出现的0xd5用连续2个字节0x8b、0xb8表示；同时，把原文中的0x8b用连续两个字节0x8b、0x8b表示。

5.一种协议转换装置，其特征在于，包括：

上行数据转换模块，用于收到UART报文时，先查找UART报文头中的uartSOP字段，然后开始接收报文内容，并同步进行字符转义译码；在收到一个完整报文之后，计算和比对校验和uartCHK，如果计算结果与报文中的校验和不一致，则表明传输过程中出现了错误，直接丢弃这个UART报文；如果校验和一致，将uartTO字段的内容作为UART网关报文的gwTO字段，将净负载uartPayload字段的内容作为UART网关报文的负载gwPayload字段，然后将打包好的UART网关报文发送到总线网络；

下行数据转换模块，用于收到UART网关报文时，先检索gwTO字段对应的UART接口，如果没有检索到就放弃，如果检索到则按照转换格式要求生成UART报文，并进一步完成转义编码，逐字节发送到对应的UART接口。

6.一种UART网关，其特征在于包括如权利要求5所述的协议转换装置。

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