8051单片机串口通信中的检错方法

0 引言
    对于基于flash控制器的8051的芯片结构，一般在进行数据传输时，都是先通过串口将数据传送到flash控制器的buffer中。由于buffer的大小为512 bytes，所以每次传输的最大数据量为512bytes。本文中所讨论的三种检错方法的传输数据量均为512 bytes。

1 检错方式
    基于8051的串口数据通信系统的硬件开发平台框图如图1所示。利用该平台进行数据传输时，通常有三种数据检错方式。

1．1 奇偶校验
    奇偶校验是检错中比较常见的一种方法。它利用数据中的1的个数作为检错的标志位，若1的个数为奇数个，则错误检测的标志位为1，若1的个数为偶数，则错误检测的标志位为0。在发送端和接收端同时检测奇偶位，若得到相同的结果，则说明数据传输过程无错误发生；若得到不同的结果，则说明数据传输过程中有错误发生，此时8051会发送一个错误重传的信号，让PC端再次发送数据。
1．2 循环冗余校验(CRC)
    CRC是利用除法和余数的原理来进行错误检测(Error Detecting)。如果原始数据为多项式JP(x)，则将P(x)对生成的多项式G(x)进行模2除法，再将得到的余式R(x)作为生成的CRC校验码，用公式可以表示为：
    P(x)=Q(x)·G(x)+R(x)
    上式中的Q(x)为除法得到的商。发送端将原始数据P(x)和生成的CRC校验码R(x)发送到接收端。接收端则根据接收到的数据P'(x)算出另外的一个CRC校验码R'(x)，然后对两个CRC校验码进行比较，即可得出在传输过程中是否有错误发生。若发生错误，则用发送端重传。本文中所采用的CRC8所生成的多项式G(x)为：x2+x5+x4+1。
1．3 汉明码(Hamming)
    汉明码是在一组代码中加入一定数量的冗余，以形成一组新的数据。新加入的冗余数据被称为校验位。若某个信息位出错，则将引起几组奇偶校验结果均出错，由此根据奇偶组的检错，便可确定误码的信息位及性质。汉明码具有如下特点：
    码长：N＝2m－1
    信息码位：k=2m-m-1
    监督码位：r=N-k=m，其中m≥2正整数
    由于本文中的检错对象是串口发送，一次发送8 bits数据，故需要的冗余位为4 bits，本文采用的汉明码为(12，8)，其编码由8 bits数据和4bits组成。设数据分别为a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7。检验位为a8，a9，a10，a11,它们可按下面的式子决定：

2 测试环境及原理
    本文的测试平台分为两部分，即PC串口发送部分和8051串口接收部分。PC通过串口发送数据，每次串口发送的单位为8 bits。8051通过串口接收PC发送的数据。由于硬件的限制，8051中存储数据的buffer最大为512 bytes。所以PC端的数据每次也只发送512 bytes，总共测试的数据大小为8 K bytes，传输完8 K bytes的数据需要16次。串口传输的波特率为57600。8051接收来自PC的数据，每次接收512 bytes数据，并进行错误检测。若检测到错误，则给PC发送一个重传请求，若没有检测到错误，则给PC发送一个继续传输的命令。
    为了提高传输效率，在不影响检错的情况下，可分别对奇偶校验、CRC校验、汉明码校验采用不同的数据传输结构。
    奇偶校验每发送8 bits数据就算出1 bit的奇偶位，在算出8 bits的奇偶位之后，再将校验位一起发送到8051，其中数据D为512 bytes，Group为64bytes，data为8 bits数据。其数据结构如图2所示。

    CRC校验时，每512 bytes数据产生1bytes校验位并发送到8051，其数据结构如图3所示。其中D为512 bytes，data为512 bytes，CRC byte为8bit。即每512个bytes得到一个CRC校验值。汉明码由于采用了(12，4)，每8 bits数据产生4 bits的校验位。故其数据结构如图4所示，图中，D为512 bytes的数据，data为8 bits的数据。

3 测试结果分析
    本文通过相同的环境，综合比较了三种错误检测的实际效率，其实验结果如表1所列。

    表1是根据发送数据的长短和波特率计算出来的理论值，实际测试值则是调用PC端的时间函数来测试的。为了提高汉明码的解码效率，本文在8051上通过汇编语言进行解码。通过对得出的表中数据进行分析可见，CRC校验具有最好的检错效率，且差错率低，耗时适中。

4 结束语
    本文通过对串口传输中三种检错方法的大量数据进行比较，分析了它们的检错结果和效率。在奇偶校验中，为了提高检错速度，8051端可采用汇编语言直接读取标志位寄存器中的奇偶标识。而在汉明码中，则可分别采用C语言和汇编语言来进行编程。三种检错方法中，耗时最低的是奇偶校验，其检错的速度最快，CRC8次之，检错最慢的是汉明码。误差率最低的为CRC8，其次为汉明码，奇偶校验发生错误的概率比较大。
    由于是串口通信，出错的概率比较小，因此，传输较大文件时，检错一般采用奇偶校验，只有对误差率要求较高的场合，才用到CRC。汉明码一般很少用于检错场合。