基于RS485的多主機(jī)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

胡明飛，楊 艷，漆靜群 ，可迪群

（1.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430072；2.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074；3.華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074）

智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，而以單片機(jī)多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)分布式處理系統(tǒng)也逐漸成為主流。其中RS485總線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛應(yīng)用。RS485總線常采用主從式協(xié)議進(jìn)行通信，但當(dāng)終端用戶數(shù)目增加到一定程度后，主機(jī)的任務(wù)會(huì)過(guò)于繁重，系統(tǒng)性能大幅度下降[1]。因此，本文提出了一種基于RS485總線的多主機(jī)通信協(xié)議SBUS（simple BUS）的設(shè)計(jì)，各主機(jī)均擁有獨(dú)立的處理能力，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用CSMA/CD（carrier sense multiple access/collision detect）協(xié)議進(jìn)行信道爭(zhēng)用，這樣就分擔(dān)了主控機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，并且提高了通信效率。

1 SBUS協(xié)議概述

SBUS協(xié)議是在通過(guò)研究CSMA/CD協(xié)議之后而設(shè)計(jì)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各主機(jī)可以主動(dòng)發(fā)起連接的通信協(xié)議，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)幀到來(lái)時(shí)，協(xié)議會(huì)先對(duì)數(shù)據(jù)包行地址識(shí)別，若是發(fā)往本機(jī)的數(shù)據(jù)則繼續(xù)接收剩余的數(shù)據(jù)，并存放到接收緩沖區(qū)；并且當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀結(jié)束標(biāo)志時(shí)則停止接收，然后通知應(yīng)用層來(lái)取走數(shù)據(jù)；反之若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的地址非本機(jī)則拒絕接收余下的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)取出之前會(huì)進(jìn)行一些處理，比如差錯(cuò)處理、進(jìn)程解析等；若校驗(yàn)錯(cuò)誤根據(jù)需要確定是否重發(fā)。

圖1 SBUS協(xié)議架構(gòu)圖Fig.1 SBUS protocol architecture diagram

當(dāng)應(yīng)用層需要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)先添加一些頭部信息，然后寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)，等待鏈路層發(fā)送處理函數(shù)發(fā)送；發(fā)送時(shí)，會(huì)先監(jiān)聽(tīng)信道，當(dāng)檢測(cè)到信道空閑則占用信道，然后將當(dāng)前待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，并同時(shí)進(jìn)行沖突檢測(cè)，若有沖突則進(jìn)行沖突處理。

這樣就保證了網(wǎng)絡(luò)中可以存在多個(gè)主機(jī)，它們之間是通過(guò)信道爭(zhēng)用機(jī)制來(lái)與主控機(jī)進(jìn)行通信的，各機(jī)處于平等的地位，相對(duì)于主從式通信而言，多主式通信在一定程度上可以提高通信效率[1]。

2 硬件設(shè)計(jì)

這里主要介紹測(cè)試時(shí)與SBUS協(xié)議相關(guān)的一些硬件電路設(shè)計(jì)。

2.1 RS485收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

利用SBUS多主式協(xié)議，完成了多路溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的串口RS-232標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)橥ㄐ啪嚯x短、速率低，所以不適于該通信系統(tǒng)，而RS-485標(biāo)準(zhǔn)則很好地彌補(bǔ)了這方面的缺陷。所以物理層的收發(fā)器設(shè)計(jì)采用了Maxim公司的MAX485芯片，具體電路如圖2所示。

圖2 RS485通信電路原理圖Fig.2 RS485 communication circuit diagram

采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速率可最高達(dá)到10 Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到1219.2 m（速率低于100 kb/s時(shí)）。它的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，使用一對(duì)雙絞線，見(jiàn)圖2中的A和B[2-3]。

RS485收發(fā)器有2個(gè)使能端，將接收使能端（/RE）接地，發(fā)送使能端由51單片機(jī)控制，所以主機(jī)空閑時(shí)一直處于接收狀態(tài)，而當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候使能發(fā)送端即可。另外，為了實(shí)現(xiàn)總線的監(jiān)聽(tīng)，將串口接收端通過(guò)施密特觸發(fā)器接至單片機(jī)的外部中斷INT0，這樣可通過(guò)中斷來(lái)判斷總線是否忙。

2.2 總線拓?fù)浣涌诘脑O(shè)計(jì)

RS-485是一種半雙工結(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，故采用T頭的星狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖3所示。在多路溫度采集系統(tǒng)中通信媒介采用RJ45接口的網(wǎng)線，且各機(jī)共地連接[1，3]。

圖3 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣涌谠韴DFig.3 Star network topology interface principle diagram

3 SBUS協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議的主要部分由數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收2個(gè)模塊構(gòu)成。流程如圖4所示。

圖4 收發(fā)函數(shù)模塊的流程圖Fig.4 Flow chart of sending and receiving function module

3.1 地址的匹配和數(shù)據(jù)包起始幀的結(jié)束標(biāo)志

51單片機(jī)的串口通信中SM2位稱(chēng)之為多機(jī)通信控制位，其作用是當(dāng)串口工作在方式2或方式3下時(shí)，若SM2=1，僅當(dāng)接收到第9位（RB8）為1時(shí)，才將前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI，產(chǎn)生中斷；若接收到的RB8=0，則丟棄前8位數(shù)據(jù)。當(dāng)SM2=0時(shí)，無(wú)論RB8=0或1都將前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，置位RI，產(chǎn)生中斷。

利用該功能，可將傳輸?shù)牡?位設(shè)置為數(shù)據(jù)/地址標(biāo)志位，即RB8=1時(shí)，為地址幀，反之為數(shù)據(jù)幀。初始化后將SM2=1，此時(shí)主機(jī)一直處于接收地址幀的狀態(tài)，當(dāng)?shù)絹?lái)一地址幀后即可接收。若前8位數(shù)據(jù)所代表的地址為本機(jī)地址，則將SM2置為0，此時(shí)主機(jī)就可以接收余下若干字節(jié)的數(shù)據(jù)幀了，其他主機(jī)因?yàn)榈刂凡黄ヅ銼M2仍為1，不能接收余下的數(shù)據(jù)幀，原理如圖5所示，這樣就達(dá)到了數(shù)據(jù)包的正確接收了。

圖5 地址識(shí)別流程Fig.5 Address recognition process

圖5所示的地址匹配過(guò)程可視為幀的起始標(biāo)志，同樣的原理可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包結(jié)束幀的標(biāo)定。假設(shè)主機(jī)A正在向主機(jī)B傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)A想結(jié)束一幀數(shù)據(jù)的傳輸，只需將RB8=1即可，而B(niǎo)在接收數(shù)據(jù)幀的時(shí)候不斷查詢(xún)RB8（數(shù)據(jù)幀的第9位一直為0），若發(fā)現(xiàn)RB8=1則說(shuō)明該字節(jié)為結(jié)束標(biāo)志符（該字節(jié)內(nèi)容無(wú)任何實(shí)際意義），一幀數(shù)據(jù)已接收完成，需停止接收。此時(shí)，SM2又要設(shè)為1，為接收下一幀做準(zhǔn)備。

3.2 CSMA/CD的實(shí)現(xiàn)

CSMA/CD即載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在51單片機(jī)的RXD端通過(guò)一個(gè)反向器與外部中斷0連接，如圖6所示，同時(shí)初始化一個(gè)定時(shí)器，時(shí)長(zhǎng)為T(mén)，外部中斷0的中斷服務(wù)函數(shù)對(duì)定時(shí)器初值進(jìn)行重裝[2，4]。當(dāng)RS-485總線上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，中斷會(huì)被反復(fù)觸發(fā)，定時(shí)器初值也一直重裝。這樣如果定時(shí)器溢出（即T時(shí)間內(nèi)總線上仍沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸），則可認(rèn)為總線是空閑的，就可以占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)了[5]。

圖6 利用中斷監(jiān)聽(tīng)總線Fig.6 Using interrupt monitor bus

其中總線監(jiān)聽(tīng)函數(shù)代碼如下：

可以看到，函數(shù)中使用 while（!send_flag）；語(yǔ)句來(lái)等待總線空閑，即當(dāng)總線有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，檢測(cè)總線的中斷則持續(xù)觸發(fā)，對(duì)send_flag進(jìn)行置位的定時(shí)器也不斷重裝，這樣send_flag就一直是0，進(jìn)程阻塞在這里，等到總線空閑后，定時(shí)器會(huì)溢出，然后send_flag就置位，數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行，即該主機(jī)檢測(cè)到了總線空閑，并占用信道。

若同時(shí)有多個(gè)主機(jī)檢測(cè)到總線空閑，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖突，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，需發(fā)送若干字節(jié)的測(cè)試碼（比如0xaa），并接收回來(lái)，若有沖突則接收回來(lái)的測(cè)試碼發(fā)生變化，這樣就檢測(cè)到了沖突。RS485收發(fā)控制器的接收使能一直接地，即一直處于使能狀態(tài)，這樣在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，接收和發(fā)送使能是同時(shí)打開(kāi)的，所以既能發(fā)又能收；雖然51的串行接收和發(fā)送緩沖SBUF是共用的，但二者并不沖突，因?yàn)樵诖薪邮盏臅r(shí)候內(nèi)部有個(gè)移位寄存器，當(dāng)接收到完整的字節(jié)后它才將整個(gè)字節(jié)送到SBUF，又由于程序是順序執(zhí)行的，而非同時(shí)進(jìn)行，所以這里可以自發(fā)自收[3，5]。

以上為沖突檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)，當(dāng)函數(shù)返回FALSE后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行沖突處理，在多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采取的沖突處理策略是：延時(shí)一段時(shí)間，繼續(xù)新一輪的總線競(jìng)爭(zhēng)，代碼如下：

4 協(xié)議的應(yīng)用——多路溫度采集系統(tǒng)

4.1 多路溫度采集系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)主控機(jī)和若干溫度采集器構(gòu)成，主控機(jī)主要負(fù)責(zé)將多個(gè)采集器傳送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和存儲(chǔ)，并且提供人機(jī)交互，便于查詢(xún)和控制。

4.2 采集器和主控器的主流程

如圖7所示，采集器主要功能就是周期地進(jìn)行溫度采集、轉(zhuǎn)化，然后將無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)通過(guò)SBUS協(xié)議發(fā)送到總線上，根據(jù)地址匹配主控機(jī)會(huì)接收到該幀數(shù)據(jù)。

圖7 采集器和主控器的主流程圖Fig.7 Main flow chart of the collector and the main controller

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)進(jìn)一步完善的話，通過(guò)RS485組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，尤其是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，在從機(jī)數(shù)量多的時(shí)候，采取主從式通信必然會(huì)導(dǎo)致通信效率降低，而本文提出了多主機(jī)進(jìn)行信道爭(zhēng)用機(jī)制，可在一定程度上解決此問(wèn)題，但是要很好地解決它，還需要對(duì)協(xié)議做進(jìn)一步的完善，比如實(shí)現(xiàn)主從式和多主機(jī)通信之間的智能切換，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量較大時(shí)可切換到主從式通信，這樣就避免了網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)主機(jī)一直爭(zhēng)用不到總線；而當(dāng)負(fù)荷減輕時(shí)又切換到CSMA/CD協(xié)議下。

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