基于RS—485總線的多主機(jī)通信方法

馬志強(qiáng) 楊海明 王蘇毅

摘要：針對(duì)RS-485總線多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間無法自由通信的問題，介紹一種多主機(jī)通信方法，以探討總線接口電路和組網(wǎng)方式，并通過設(shè)計(jì)通信協(xié)議和規(guī)劃通信過程，完成相關(guān)程序設(shè)計(jì)。此方法在某裝備模擬項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：RS-485；多主機(jī)；接口電路；通信協(xié)議

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.012

引言

RS-485接口以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)總線中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的RS-485總線要求在同一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，為此多采用一主多從方式或分時(shí)復(fù)用方式。一主多從方式，即網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)輪詢各個(gè)從節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分時(shí)復(fù)用方式，即總線控制權(quán)分時(shí)交由各個(gè)節(jié)點(diǎn)使用，各節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先分配的時(shí)間段發(fā)起通信。遇到節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送實(shí)時(shí)要求高，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不確定，且各個(gè)節(jié)點(diǎn)通信負(fù)荷不均衡等通信系統(tǒng)時(shí)，上述兩種通信模式的總線利用率和實(shí)時(shí)性都相對(duì)較低。在模擬器材通信中，經(jīng)常會(huì)遇到各節(jié)點(diǎn)不定期、多批次主動(dòng)發(fā)起通信的情況，在應(yīng)用RS-485網(wǎng)絡(luò)時(shí)顯得較為不便。為此，需要研究一種基于RS-485總線的多主機(jī)通信方法，并在模擬訓(xùn)練中得到應(yīng)用，以取得良好效果。

1 接口電路

RS-485接口電路的主要功能是將來自微控制器（MCU）的發(fā)送信號(hào)TX通過“發(fā)送器”轉(zhuǎn)換成通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)，將通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)通過“接收器”轉(zhuǎn)換成MCU接收的RX信號(hào)。任一時(shí)刻、RS-485收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”兩種模式之一，因此，必須為RS-485接口電路增加一個(gè)收/發(fā)邏輯控制電路。另外，RS-485接口電路的附加保護(hù)措施也是必須考慮的環(huán)節(jié)。

如圖1所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的RS-485總線接口電路，核心芯片為SP3485，該芯片為+3.3V低功耗半雙工收發(fā)器，滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議的要求，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)10Mbps（帶負(fù)載），與Sipex的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時(shí)兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。SP3485發(fā)送器的輸出是差分輸出，空載時(shí)輸出電壓的大小為OV—+3.3V，即使在差分輸出連接了54Ω負(fù)載的條件下，發(fā)送器仍可保證輸出電壓大于1.5V。發(fā)送器輸出最大250mAISC的限制使SP3485可以承受-7.OV～+1 2.OV共模范圍內(nèi)的任何短路情況，保護(hù)IC不受損壞。SP3485接收器的輸入是差分輸入，輸入靈敏度可低至±200mV。接收器的輸入電阻通常為15kΩ（最小為12kΩ）。一7V-+12V的寬共模電壓范圍允許系統(tǒng)之間存在大的零電位偏差。SP3485接收器還具有故障自動(dòng)保護(hù)（fail-safe）特性，可在輸入懸空時(shí)使輸出保持在高電平狀態(tài)。

控制該電路工作的MCU采用STM32F103VET6，該芯片為100引腳LQFP封裝、采用Cortex-M3內(nèi)核、處理速度可達(dá)72MHz，具有64K RAM和512K Flash，支持CAN、1²C、SPI、USART、USB等接口。其串行口通過RXD（即485一RX引腳）連接SP3485芯片的RO引腳，通過TXD（即485一TX引腳）連接芯片的DI引腳。MCU輸出的485_DIR信號(hào)控制芯片的發(fā)送器/接收器使能，亦即控制通信方向。當(dāng)485一DIR1言號(hào)為“1”時(shí)，發(fā)送器工作，接收器失效，此時(shí)MCU可向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)；485一DIR信號(hào)為“0”時(shí)，發(fā)送器失效，接收器工作，此時(shí)MCU可以接收來自RS-485總線的數(shù)據(jù)。

為保證電路工作穩(wěn)定可靠，電路中B引腳連接上拉電阻R2，A引腳連接下拉電阻R3，這樣在上電或不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)能保證RS485總線處于確定狀態(tài)，為總線提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，以提高RS-485節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

電阻R5為備用設(shè)計(jì)、如果將SP3485連接至80C51或STM32F103VET6等MCU芯片的UART串口，則SP3485芯片的RO引腳不需要上拉（R5為0Ω）；否則，需考慮將R5更換為約10K的上拉電阻。

考慮到485總線在組網(wǎng)時(shí)，位于網(wǎng)絡(luò)兩端的節(jié)點(diǎn)需要增加120Ω終端電阻，我們?cè)?85_B和485_A之間放置了終端電阻R4，為便于使用者靈活調(diào)整節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，我們還為終端電阻設(shè)計(jì)了選擇跳線JP1。

2 組網(wǎng)方式

RS-485總線組網(wǎng)方式如圖2所示、所有RS-485節(jié)點(diǎn)全部掛在一對(duì)RS-485總線上。注意RS-485總線不能夠開叉、但是可以轉(zhuǎn)彎。RS-485網(wǎng)絡(luò)采用直線拓樸結(jié)構(gòu)，需要安裝2個(gè)終端匹配電阻。終端匹配電阻安裝在RS-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端點(diǎn)，并聯(lián)連接在A-B引腳之間，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗（一般取值為120Ω）。終端匹配電阻主要作用是使總線的阻抗連續(xù)，以減少信號(hào)的反射，從而提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在矩距離（300米以下）、低波特率（19200bps）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可不需終端匹配電阻。

3 多主機(jī)通信協(xié)議

穩(wěn)定可靠的通信不僅依賴硬件環(huán)境，對(duì)通信協(xié)議也有很高的要求。為了解決RS-485總線多主機(jī)通信的問題，需要對(duì)RS-485通信協(xié)議進(jìn)行研究。

3.1幀結(jié)構(gòu)

起始符-目的節(jié)點(diǎn)-源節(jié)點(diǎn)-幀長(zhǎng)度-命令/數(shù)據(jù)-幀校驗(yàn)-結(jié)束符

設(shè)定起始符為字符$?？紤]到便于報(bào)文接收、起始符應(yīng)與設(shè)備地址不同。目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)地址，取值為1-32。幀長(zhǎng)度是從起始符到結(jié)束符的字符長(zhǎng)度，取值為7-255。結(jié)束符為字符@。

幀校驗(yàn)（FCS）通常可采用奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等方法，前兩者處理相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，但存在漏檢的可能，后者處理相對(duì)復(fù)雜，需要一定的運(yùn)算時(shí)間，但可靠性優(yōu)于前面兩種方法。在具體應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)需要自行選擇。本文幀校驗(yàn)方法為從目的地址開始，到數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)為止，各字節(jié)依次異或，最后得到的數(shù)值即為幀校驗(yàn)值，如果接收方發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤則應(yīng)要求發(fā)送方重發(fā)。

值得注意的是，對(duì)于起始符、結(jié)束符與數(shù)據(jù)幀內(nèi)容重疊時(shí)的處理，采用數(shù)據(jù)字節(jié)前插入OxFF的辦法加以識(shí)別。例如，要發(fā)送的數(shù)據(jù)為OX24，與結(jié)束符重疊，則在報(bào)文中應(yīng)寫為OxFFOx24。

3.2通信過程

3.2.1發(fā)送方工作流程

RS-485總線采用半雙工工作方式，全網(wǎng)在同一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備在發(fā)送報(bào)文（扮演主機(jī)），此時(shí)其它設(shè)備處在接收狀態(tài)（扮演從機(jī)）。基于對(duì)可靠性的考慮，采取如圖3所示通信流程。

具體解釋如下：F_BUSY為總線忙標(biāo)志，取值為“1”時(shí)表示“總線忙”，N為發(fā)送報(bào)文后對(duì)方無應(yīng)答時(shí)報(bào)文的重傳次數(shù)，M為接收到的報(bào)文出現(xiàn)FCS錯(cuò)誤時(shí)的重傳次數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的F_BUSY均為0，即總線空閑，N、M均為0。

發(fā)送方的工作流程如下：

總線的申請(qǐng)和釋放均由通信的發(fā)起方完成。

步驟一：申請(qǐng)總線。發(fā)送報(bào)文前先進(jìn)行“忙”檢測(cè)，當(dāng)F—BUSY為“O”時(shí)發(fā)送“申請(qǐng)總線”報(bào)文，通知全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)即將占用總線，并開啟計(jì)時(shí)器，無關(guān)節(jié)點(diǎn)收到該報(bào)文后將F_BUSY置為1，并禁止本地發(fā)送報(bào)文，目的節(jié)點(diǎn)收到后發(fā)送“確認(rèn)可用”報(bào)文。當(dāng)F—BUSY為“1”或計(jì)時(shí)已到卻未收到“確認(rèn)可用”報(bào)文，則隨機(jī)延時(shí)后重新申請(qǐng)總線。

步驟二：發(fā)送報(bào)文。

步驟三：等待應(yīng)答。發(fā)送報(bào)文后，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，等待對(duì)方的接收應(yīng)答，如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到對(duì)方應(yīng)答，則進(jìn)行報(bào)文重傳，并將重傳次數(shù)N加1。如果重傳已達(dá)三次，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)斷開，釋放總線，結(jié)束通信。

步驟四：出錯(cuò)重傳。如果對(duì)方應(yīng)答幀內(nèi)容為“FCS錯(cuò)誤”報(bào)文，則進(jìn)行報(bào)文重傳，并把M加1。如果重傳已達(dá)三次，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，釋放總線，結(jié)束通信。

步驟五：釋放總線。報(bào)文發(fā)送流程結(jié)束后，該節(jié)點(diǎn)發(fā)出“釋放總線”報(bào)文，各節(jié)點(diǎn)將F_BUSY置為O，總線恢復(fù)空閑狀態(tài)。

發(fā)送方的處理中，在申請(qǐng)總線階段沒有考慮消息碰撞問題，這主要是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，碰撞幾率較低的考慮。為增強(qiáng)報(bào)文的可靠性，須進(jìn)行幀校驗(yàn)處理。在等待應(yīng)答階段，采取ARQ技術(shù)，對(duì)出錯(cuò)報(bào)文進(jìn)行請(qǐng)求重傳。為避免程序陷入死循環(huán)，針對(duì)對(duì)方無應(yīng)答或報(bào)文幀校驗(yàn)錯(cuò)誤的情況采用了有限次重傳的機(jī)制。

3.2.2接收方工作流程

處理一：報(bào)文過濾。通過報(bào)文頭部，判斷收到的報(bào)文是否為其它節(jié)點(diǎn)發(fā)給本節(jié)點(diǎn)，如果不是則不予處理。

步驟二：報(bào)文校驗(yàn)。對(duì)發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的報(bào)文進(jìn)行幀校驗(yàn)，如果有錯(cuò)誤，則發(fā)“FCS錯(cuò)誤”報(bào)文，并將已收到報(bào)文丟棄，如果校驗(yàn)正確則發(fā)“確認(rèn)接收”報(bào)文。

步驟三：報(bào)文處理。對(duì)正確接收的報(bào)文進(jìn)行分析處理。

4程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)中主要對(duì)初始化程序、中斷接收程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文處理程序等程序分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1初始化程序

初始化程序主要完成MCU和RS-485收發(fā)器管腳的初始化，并開啟串口接收中斷。

void InitDev（void）

{

RCC_Configuration（）；//配置系統(tǒng)時(shí)鐘，使能各外設(shè)時(shí)鐘

Init_485（）；//配置485管腳，并預(yù)置為接收使能

SysTick_lnit（1000）；//初始化系統(tǒng)滴答

G LCD_init（）；//初始化TFT屏

UART3lnit（）；//對(duì)USART3進(jìn)行串口參數(shù)設(shè)置、中斷配置，開啟接收中斷

）

4.2.中斷接收程序

中斷接收程序主要對(duì)符合數(shù)據(jù)幀格式的報(bào)文進(jìn)行接收，根據(jù)報(bào)文中的目的節(jié)點(diǎn)過濾掉發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行幀校驗(yàn)，最后設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)識(shí)位，供接收數(shù)據(jù)處理程序使用。

void USART3_IRQHandler（void）

{

if（ USART_GetITStatus（USART3，USART_IT_RXNE）==SET）

{

u8 temp；

USART_ClearITPendingBit（USART3，USART_IT_RXN E）；

temp=USART3->DR；

//以下對(duì)收到的字符進(jìn)行處理

為避免對(duì)方快速發(fā)送多組報(bào)文，使接收方來不及處理而導(dǎo)致丟失報(bào)文，我們采取雙緩存的方式，即設(shè)置兩個(gè)接收緩存區(qū)，輪流存儲(chǔ)接收到的報(bào)文，對(duì)緩存區(qū)的占用情況設(shè)置標(biāo)志位。

char F_REC；//緩存區(qū)存儲(chǔ)標(biāo)志

char buf_index；//當(dāng)前待處理的緩存區(qū)號(hào)

u8*buf_revl；//接收緩存區(qū)1

u8*buf_rev2；//接收緩存區(qū)2

u8 Dataln[128]；//臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)

u8 dataNums；//已收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

if（（F_REC==O）|| （F_REC==Oxl0））

{

//緩存區(qū)為空，或只有緩存區(qū)2被占用

buf_revl =（u8^*）malloc（dataNums）；

memcpy（buf_revl，&Dataln;，dataNums）；

if（buf_index==0） buf_index=l；

F_RECl=Ox01；11緩存區(qū)1已占用

}

else if（F_REC==Ox01）

{

//只有緩存區(qū)1被占用

}

else if（F_REC==Oxll）

{

//緩存區(qū)已滿

4.3報(bào)文發(fā)送程序

報(bào)文發(fā)送程序主要是將任意長(zhǎng)度的報(bào)文發(fā)送到總線上。由于485總線通信始終在接收/發(fā)送之間切換，為保證總線可靠工作，狀態(tài)切換時(shí)應(yīng)做適當(dāng)延時(shí)，等總線狀態(tài)穩(wěn)定后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體方法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將485一DIR置“1”，延時(shí)2ms，再發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，延時(shí)2ms，直接將485_DIR置“O”。這種處理可有效提高總線的穩(wěn)定性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。延時(shí)時(shí)間的取值與波特率有關(guān)，波特率越小，延時(shí)應(yīng)越大。

RS_485_TX_EN；//485發(fā)送使能

RS485_Delay（2）；//延時(shí)2ms

for （i=0； i

{

USART_SendData（USART3， data[i]）；

while（USART_GetFlagStatus（USART3， USART_FLAG_TC）== RESET）；

}

/*RS485_Delay（2）；*/

RS_485_RX_EN；//485接收使能

4.4報(bào)文處理程序

為了保證中斷接收程序始終能快速響應(yīng)對(duì)方發(fā)來的數(shù)據(jù)，我們把報(bào)文處理程序放在中斷之外，以免程序處理當(dāng)前報(bào)文用時(shí)過長(zhǎng)，影響下一組報(bào)文的接收。在主程序中通過對(duì)接收標(biāo)志位的判斷來調(diào)用報(bào)文處理程序，根據(jù)接收?qǐng)?bào)文內(nèi)容的不同給出相應(yīng)的響應(yīng)。

int main（void）

{

while（l）

{

if（F_REC>O）

{

if（buf_index==1）DeaIData（buf_rev1，buf_lenl）；

if（buf_index==2）DeaIData（buf_rev2，buf_len2）；

）

5 結(jié)語(yǔ)

本文中介紹了一種多主機(jī)通信的485總線通信實(shí)現(xiàn)方法，該方法適用于工作環(huán)境相對(duì)惡劣、多主機(jī)隨機(jī)通信需求較高的場(chǎng)合，目前已應(yīng)用到某模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，經(jīng)兩年多的使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在具體實(shí)踐中，對(duì)于工作條件較好時(shí)，為提高效率可對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，如縮短幀結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化通信過程等，藉此可減少總線占用時(shí)間，縮短節(jié)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到更為理想的通信效果。

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