劉 軍 蘇新凌 蘇紹熙 湯詩(shī)陽(yáng)（作者單位：廣西人民廣播電臺(tái)）

接口技術(shù)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

劉 軍 蘇新凌 蘇紹熙 湯詩(shī)陽(yáng)
（作者單位：廣西人民廣播電臺(tái)）

摘 要：接口技術(shù)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中不可或缺的部分，是不同模塊，不同硬件、硬件與軟件、軟件與軟件之間的聯(lián)系橋梁，是系統(tǒng)連接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過(guò)對(duì)常用接口及協(xié)議的闡述，以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的實(shí)例經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明接口協(xié)議的作用、應(yīng)用選擇、開(kāi)發(fā)技巧等。

關(guān)鍵詞：接口技術(shù)；通信協(xié)議；二次開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)組合

隨著廣播的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)在廣播的多個(gè)方面得到應(yīng)用，除了使用廠商生產(chǎn)的成品設(shè)備，更多的是為了適合本臺(tái)技術(shù)需求所做的定制化開(kāi)發(fā)。定制化開(kāi)發(fā)一般包括系統(tǒng)軟件和硬件的二次開(kāi)發(fā)，二次開(kāi)發(fā)中非常重要的一部分內(nèi)容就是各軟硬件或模塊間的通信連接，也就是接口技術(shù)和通信協(xié)議的應(yīng)用，有了合適的通信連接，才能讓一個(gè)整體聯(lián)合發(fā)揮出功能作用。因此在技術(shù)開(kāi)發(fā)中，接口、協(xié)議技術(shù)應(yīng)用具有舉足輕重的作用。要有RS-232、RS-422、RS-485等。

1　接口、協(xié)議的定義及常見(jiàn)接口

在電子及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，接口指實(shí)體根據(jù)某些規(guī)則，將其自身歸納并提供給外界的一種抽象化集合，用以進(jìn)行信息的傳輸或交互。接口的抽象性決定了其可被內(nèi)部修改而不影響外部傳輸和交互的特性。

在硬件層面，它是大多數(shù)接口行業(yè)組織提出制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演化而成。常用的接口有串行接口（簡(jiǎn)稱串口）（包括RS-232、RS-485、SPI、UART、I2C、JTAG、USB等）、并行接口（簡(jiǎn)稱并口）、Wiegand、GPIO、RJ45、IDE、SATA、HDMI、VGA、DP、PCI-E、DDR等。在軟件層面，接口可以有2層含義，首先是狹義的、字面理解的“接口”，即各種語(yǔ)言和軟件所給出的API；而廣義的接口指的就是人機(jī)交互界面。

1.1串口

接口有串口和并口兩大類，串行接口（Serial Interface）是采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式的接口，即一串?dāng)?shù)據(jù)的各比特位按位順序傳輸。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸單位較小，傳輸線路簡(jiǎn)單，成本較低廉，特別適用于遠(yuǎn)距離傳輸，常見(jiàn)串行接口主

1.1.1RS-232（圖1）是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行接口的電氣特性、信號(hào)線功能都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232接口兼容的通信設(shè)備，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)接口在電子通信中廣泛使用。RS-232接口總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一條主通道以及一條輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道進(jìn)行通信。RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。

1.1.2針對(duì)RS-232接口存在的很多不足之處，后來(lái)發(fā)展出RS-485接口，它具有10 Mbps最高數(shù)據(jù)傳輸速率；接口信號(hào)電平比RS-232低，不易損壞接口電路的芯片；且與TTL電平兼容，方便與TTL電路連接、抗共模干擾能力增強(qiáng)、抗噪聲干擾性好等，特別是傳輸距離大大提高，達(dá)到了千米左右，支持多點(diǎn)互聯(lián)，非常利于聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建分布式系統(tǒng)。

圖1　RS- 232接口原理圖

1.1.3SPI是串行外設(shè)接口，它可以使單片機(jī)與各種外圍設(shè)備以串行傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通信以交換信息。SPI是CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，為全雙工通信，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后。SPI接口一般有4條線：串行時(shí)鐘線（SCLK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線NSS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT、有的SPI接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI），如圖2所示。SPI接口具有支持全雙工操作、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸速率較高的優(yōu)點(diǎn)。

1.1.4UART接口，通用異步接收發(fā)送器，它用于串行通信與并行通信間的信息傳輸轉(zhuǎn)換，并行輸入，串行輸出，為全雙工通信，其基本結(jié)構(gòu)圖3所示。

1.1.5USB接口（圖4）恐怕是目前最常見(jiàn)的接口了，它是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，只有4

根線，兩根電源兩根信號(hào)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應(yīng)用于個(gè)人電腦和移動(dòng)設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品。

圖2　SPI接口多外圍設(shè)備連接示意圖

圖3　UART基本結(jié)構(gòu)圖

圖4　USB接口正反面實(shí)物圖

1.2并行接口

并口指采用并行傳輸方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)。特點(diǎn)是傳輸速度快，但當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)且數(shù)據(jù)位寬較大時(shí)，就導(dǎo)致通信線路復(fù)雜且成本提高，目前已經(jīng)很少使用。

1.3韋根接口

韋根（Wiegand）接口是近年來(lái)使用較為普及的一種接口，協(xié)議是由摩托羅拉公司制定的一種通訊協(xié)議，沒(méi)有定義通訊的波特率，也沒(méi)有定義數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。韋根接口通常由3根線組成，它們是數(shù)據(jù)0（Data0）、數(shù)據(jù)1（Data1）和Data return。Data0和 Data1兩根數(shù)據(jù)線分別傳輸0和1。現(xiàn)在應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)格式為26-Bit。

1.4GPIO接口

GPIO接口也是廣播技術(shù)人員比較熟悉的接口，它是通用輸入輸出接口，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一些引腳，通過(guò)它們輸出高低電平或通過(guò)它們讀取引腳高低電平狀態(tài)。

1.5軟件接口

上述接口是和硬件關(guān)聯(lián)度很高的，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)候往往都有管理軟件，軟件與軟件之間也有多種接口協(xié)議，這些不是實(shí)物看得到的接口，但是也同樣具有重要的連接和通訊協(xié)調(diào)工作的作用。

軟件接口一般分為三個(gè)層面：展現(xiàn)、業(yè)務(wù)和通信。業(yè)務(wù)層是核心，承上啟下，通過(guò)一系列的指令進(jìn)行交互，指令序列規(guī)定了具體執(zhí)行的步驟，如TCP的三次

握手：SYN，ACK，SYN，ACK。通信層是雙方完成交互的一種通訊載體，用來(lái)傳遞具體協(xié)議信息，可以同一進(jìn)程內(nèi)，不同進(jìn)程間，兩不同設(shè)備間傳輸，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和文件來(lái)傳輸。展現(xiàn)層則重在考慮溝通雙方的使用方式，通過(guò)一個(gè)個(gè)具體的API來(lái)完成最終的交互，這就是通常所說(shuō)的“Interface”，如圖5所示。

圖5　接口框圖

2　在二次開(kāi)發(fā)中接口、協(xié)議的選擇和處理方法

在技術(shù)開(kāi)發(fā)中，各子系統(tǒng)各模塊間的連接離不開(kāi)各類接口及協(xié)議的使用。而對(duì)接口和協(xié)議的選擇，要根據(jù)需求及設(shè)計(jì)的功能來(lái)確定，比如數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離、對(duì)環(huán)境的要求等方面。在二次開(kāi)發(fā)中，也會(huì)遇到硬件或軟件是單品采購(gòu)，然后不同硬件軟件之間要聯(lián)系起來(lái)使用，就需要首先清楚每個(gè)硬件軟件的接口和協(xié)議是什么，對(duì)聯(lián)上需要做什么轉(zhuǎn)換，有些可以采用市場(chǎng)上既有的接口轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，有些就是通過(guò)搞清楚協(xié)議通訊的定義方式，然后通過(guò)定制開(kāi)發(fā)中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。因此，總結(jié)來(lái)說(shuō)，需要熟悉接口和協(xié)議的原理，使用方式。如果是涉及軟件，接口必須是開(kāi)放的，這樣才能根據(jù)協(xié)議編制方式來(lái)針對(duì)性開(kāi)發(fā)。

3　軟硬件連接開(kāi)發(fā)實(shí)例說(shuō)明

3.1硬件接口實(shí)例說(shuō)明

該例子是無(wú)線射頻讀卡機(jī)讀取卡片信息與管理平臺(tái)通訊實(shí)現(xiàn)管理的一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)涉及到串口，RS-485接口，RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口，運(yùn)行時(shí)，其中無(wú)線射頻讀卡機(jī)讀取卡片信息后，通過(guò)485接口把數(shù)據(jù)（產(chǎn)品約定的格式）傳送到單片機(jī)，單片機(jī)處理后編碼通過(guò)串口轉(zhuǎn)成IP發(fā)送給服務(wù)器管理平臺(tái)，管理平臺(tái)驗(yàn)證之后把指令回傳給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)指令輸出控制。下位機(jī)與上位機(jī)通訊至關(guān)重要，為使下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行有效的

交互，自定義了一種通訊規(guī)范，為上位機(jī)及單片機(jī)的有關(guān)編程提供依據(jù)。部分規(guī)定定義如表1。

表1　下位機(jī)與上位機(jī)部分通訊規(guī)范

軟件管理平臺(tái)采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，提供了諸多API接口，在二次開(kāi)發(fā)接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，大大降低了開(kāi)發(fā)的難度，用戶自定義的接口協(xié)議形式，是一種更靈活的通訊方式，同時(shí)也是按一定的原則基本上實(shí)現(xiàn)的，它為上位機(jī)和下位機(jī)的通訊編程提供依據(jù)。

3.2軟件接口實(shí)例說(shuō)明

該例子是兩個(gè)軟件管理平臺(tái)之間數(shù)據(jù)傳送。在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中有一個(gè)內(nèi)容是在兩地的不同單位設(shè)計(jì)建立兩套軟件平臺(tái)，其中1套負(fù)責(zé)收集相關(guān)的資訊信息，另外1套作為用戶，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，由于兩套軟件各自采用不同的語(yǔ)言及架構(gòu)，雙方為了通訊數(shù)據(jù)，采用Web Service接口，該接口能使運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用無(wú)須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數(shù)據(jù)或集成。依據(jù)Web Service規(guī)范實(shí)施的應(yīng)用之間，無(wú)論它們所使用的語(yǔ)言、平臺(tái)或內(nèi)部協(xié)議是什么，都可以相互交換數(shù)據(jù)。從表面上看，Web Service就是一個(gè)應(yīng)用程序，它向外界暴露出一個(gè)能夠通過(guò)Web進(jìn)行調(diào)用的API。這就是說(shuō)，你能夠用編程的方法通過(guò)Web來(lái)調(diào)用這個(gè)應(yīng)用程序。把調(diào)用這個(gè)Web Service的應(yīng)用程序叫做客戶。這種接口開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)在于能夠應(yīng)用程序集成，無(wú)需考慮數(shù)據(jù)交互雙方的系統(tǒng)差異。

3.3軟件遠(yuǎn)程控制設(shè)備實(shí)例

該例子是通過(guò)軟件遠(yuǎn)程控制一臺(tái)調(diào)頻發(fā)射機(jī)工作。例子中調(diào)頻發(fā)射機(jī)也有網(wǎng)管接口，可以通過(guò)軟件控制發(fā)射機(jī)的工作及提取運(yùn)行數(shù)據(jù)，這里采用的是Socket進(jìn)行雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，通過(guò)IP地址和端口來(lái)實(shí)現(xiàn)不同虛擬機(jī)或不同計(jì)算機(jī)之間的通信。Socket的英文原意是“孔”或“插座”，就像在Internet上運(yùn)行的主機(jī)所提供的多種服務(wù)，每一種服務(wù)就是一個(gè)“插座”，端口就像是“插座”上的編號(hào)，有的“插座”提供220 V的交流電，有的則是110 V的交流電?？蛻糁恍枰ㄟ^(guò)不同的“編號(hào)”（即端口），就能得到不同的服務(wù)。

連接發(fā)射機(jī)時(shí)只需要得到發(fā)射機(jī)一端IP和端口，即可建立一個(gè)處于等待連接、實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的Socket。在Socket握手成功后，因其雙向通信的特性，在控制調(diào)頻發(fā)射機(jī)的同時(shí)，也能得到發(fā)射機(jī)反饋回來(lái)的各類實(shí)時(shí)參數(shù)。同時(shí)本例子中的所有Socket通信其內(nèi)容必須通過(guò)CRC16安全校驗(yàn)才能被認(rèn)為有效。

具體實(shí)現(xiàn)：

//1與服務(wù)端建立連接

Socket client = new Socket(“IP”,”端口”);

//2發(fā)送命令

DataOutputStream writer = new DataOutputStream(client.getOutputStream());

writer.write(bufData);

writer.flush();

//3返回值

Input Streambr = client.getInputStream();

//設(shè)置超時(shí)間為10秒

client.setSoTimeout(10*1000);

int totalBytesRcvd = 0;

//數(shù)據(jù)容器

byte[] rdsDate = new byte [“字節(jié)長(zhǎng)度”];

totalBytesRcvd=br.read(rdsDate);

//4以下結(jié)束通信

writer.close();

br.close();

client.close();

return rdsDate;

}

上述代碼為一個(gè)簡(jiǎn)單的Socket通信的步驟，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是

（1）通過(guò)IP和端口建立連接

（2）創(chuàng)建客戶端輸出流，往服務(wù)器發(fā)送命令

（3）創(chuàng)建客戶端輸入流，獲取服務(wù)器接收到請(qǐng)求后的返回值

（4）結(jié)束本次通信，清除輸出流、輸入流。

Socket接口優(yōu)勢(shì)在于傳輸數(shù)據(jù)為字節(jié)級(jí)，傳輸數(shù)據(jù)可自定義，應(yīng)用靈活，數(shù)據(jù)量??；傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間短，性能高；適合于客戶端和服務(wù)器端之間信息實(shí)時(shí)交互；可以加密數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)安全性強(qiáng)。

4　接口開(kāi)放的意義和價(jià)值

目前越來(lái)越多的電臺(tái)在技術(shù)系統(tǒng)更新或改造中，都會(huì)考慮日后的升級(jí)性和調(diào)整的方便性，同時(shí)在建設(shè)中可能存在不同商家的開(kāi)發(fā)子系統(tǒng)，需要組合來(lái)應(yīng)用。這樣就必須掌握底層的協(xié)議，其中很典型的一個(gè)就是接口協(xié)議，外部的硬件接口很顯然容易掌握和應(yīng)用，但是軟件系統(tǒng)的接口則有不同的協(xié)議或編寫格式。接口的開(kāi)發(fā)，意味著能夠拿到二次開(kāi)發(fā)的工具，能夠通過(guò)自己或第三方根據(jù)開(kāi)放的接口進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)改造升級(jí)，這樣對(duì)于系統(tǒng)的改進(jìn)，具有很重要的價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)類似SOA架構(gòu)的模塊擴(kuò)展，滿足系統(tǒng)不斷擴(kuò)展升級(jí)的需求。

5　結(jié)語(yǔ)

廣播技術(shù)包含諸多種類，新技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)升級(jí)或補(bǔ)充完善是常態(tài)化的。解決系統(tǒng)的封閉性，為了更符合實(shí)際應(yīng)用要求，更具有使用保障性和后期升級(jí)空間，開(kāi)放的接口越來(lái)越受到重視。二次開(kāi)發(fā)更是掌握主動(dòng)的辦法，突出體現(xiàn)了實(shí)用性和擴(kuò)展性，接口技術(shù)的應(yīng)用給二次開(kāi)發(fā)提供了良好的連接橋梁。因此掌握好這些通信接口協(xié)議技術(shù)，是技術(shù)深度、廣度開(kāi)發(fā)應(yīng)用的必不可少的技術(shù)工具，在技術(shù)開(kāi)發(fā)上體現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用。