重復(fù)中斷方式485方向控制方法

李永征，范三龍，張 林，包素麗

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重復(fù)中斷方式485方向控制方法

李永征，范三龍，張 林，包素麗

本文涉及一種重復(fù)中斷方式RTS/485方向控制方法，可以達(dá)到精確控制485芯片通信發(fā)送方向的目的，而無需改變硬件設(shè)計(jì)，適用于中、高速485通信。

重復(fù)中斷；485；控制

0 引言

隨著電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展及變配電所內(nèi)智能設(shè)備的大量使用，智能設(shè)備及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換越來越重要，連接和管理各設(shè)備及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信接口成為了電力自動化系統(tǒng)不可或缺的重要部分。

RS-485串行接口是工業(yè)控制和電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域常用的低速長距離通信接口，其通信的可靠性至關(guān)重要[1，2]。

RS-485是在RS-232、RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來，采用差分信號負(fù)邏輯，+2 V～+6 V表示“0”，-6 V～-2V表示“1”。RS-485有兩線制和四線制2種接線方式，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，很少采用，多采用兩線制接線方式。該接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個節(jié)點(diǎn)。在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用主從通信方式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。

RS-485有2根信號線，發(fā)送和接收共用A和B線，采用差分電平方式傳輸且允許在一條通信總線上掛接多個節(jié)點(diǎn)。由于RS-485的收與發(fā)共用2根線，必然要求各節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立控制總線驅(qū)動器的關(guān)斷和打開，確保不影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信，所以對于總線上的單個節(jié)點(diǎn)來說不能同時收和發(fā)，必須精確地控制總線芯片的收發(fā)使能信號，以切換收發(fā)方向。

對于總線型的485總線，485控制芯片的收發(fā)方向控制是一個需要解決的基本問題。目前，485控制芯片收發(fā)方向控制的主要方法有RTS信號延時控制、TX/DI信號反相后直接控制、專用硬件控制、485總線收發(fā)芯片自動方向控制等。其中，通過RTS信號延時控制是基于PC機(jī)的485接口設(shè)備的通行做法，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用系統(tǒng)定時器控制，在發(fā)送空中斷到來時，設(shè)定一個字節(jié)時間的定時器，在定時器時間到后，收回RTS信號。但類似Windows這種非實(shí)時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核時鐘的最高分辨率為1 ms，定時器的精度為1～2 ms，在9 600波特率時，1個字節(jié)時間約為1 ms，實(shí)測顯示定時器會導(dǎo)致MAX485的發(fā)送驅(qū)動器多打開1個字節(jié)以上的時間，在高速485終端間通信時將會產(chǎn)生問題。由于操作系統(tǒng)的時鐘分辨率限制，延時控制的精度較低，在中高速485通信時不能滿足要求。

為了解決既有設(shè)計(jì)中高速485通信時485控制芯片的收發(fā)方向精確控制問題，本文提出了一種新的控制方法。

1 方案實(shí)施

1.1 總體技術(shù)方案

（1）采用16C550兼容UART芯片。大量成熟的設(shè)計(jì)中采用16C550兼容UART芯片，如ST16C554。其具有以下特點(diǎn)：工業(yè)級，5 V或3.3 V供電，接收和發(fā)送16字節(jié)的FIFO，支持最高 1.5 Mbps速率；16C550兼容的寄存器集為4路獨(dú)立UART通道，支持MODEM控制。

（2）采用MAX485總線收發(fā)芯片。

（3）采用FIFO中斷方式發(fā)送。每次發(fā)送最多可向16C554寫入16個字節(jié)，接收時，根據(jù)設(shè)定在連續(xù)接收1、2、4或14個字節(jié)時產(chǎn)生中斷，或在接收的字節(jié)流停止約5個字節(jié)時產(chǎn)生中斷。

（4）采用RTS信號反相后使能485發(fā)送，實(shí)現(xiàn)485收發(fā)方向控制。每路UART具有獨(dú)立的RTS、DTR等MODEM控制管腳，其中RTS管腳反相后常用于485收發(fā)方向控制。

由于16C550兼容UART控制器未設(shè)置自動RTS控制，且在TSR（移位寄存器）空時不產(chǎn)生中斷，給程序控制RTS帶來很大困難。而使用重復(fù)中斷方式或類似的實(shí)時輪詢方式，通過主動檢查TSR的空標(biāo)志收回RTS信號，可以達(dá)到精確控制的目的。

通用RS-485串行通信接口的電氣原理如圖1所示。

圖1 通用RS-485串行通信接口電氣原理

本方法的優(yōu)選方案為，A芯片采用ST16C554D芯片，該芯片是一款16C550、Windows操作系統(tǒng)兼容的UART控制芯片，具有4路獨(dú)立的串口通道，每一路通道在線路側(cè)只使用TX、RX、RTS信號，這3個信號在經(jīng)過光耦T1-T3隔離后，連接MAX485芯片的DI、DE和RD管腳，其中RTS和DE之間經(jīng)過反相器U4，MAX485芯片的DE和RE信號并接， MAX485工作在半雙工模式；B中的總線收發(fā)芯片為MAX481或MAX483或MAX485或MAX487-MAX491，是常用的低功耗RS-485/RS-422總線收發(fā)器，具有獨(dú)立的收發(fā)回路，支持半雙工和全雙工模式。

1.2 具體實(shí)施方式

重復(fù)中斷方式485方向控制方法具體方案如下：芯片采用16C550兼容UART芯片，采用總線收發(fā)芯片，并采用FIFO中斷方式發(fā)送；RTS信號反相后使能485發(fā)送，進(jìn)行485收發(fā)方向控制，在每一幀串口數(shù)據(jù)發(fā)送前使能RTS，進(jìn)而打開MAX485芯片的發(fā)送驅(qū)動器，接著開始發(fā)送過程；在發(fā)送結(jié)束后收回RTS信號，關(guān)閉MAX485芯片的發(fā)送驅(qū)動器，MAX485進(jìn)入接收狀態(tài)；在發(fā)送中斷到來時，重復(fù)使能發(fā)送中斷，并檢測TSR的空標(biāo)志，當(dāng)TSR空標(biāo)志產(chǎn)生后，收回RTS信號。

在初始狀態(tài)，RTS信號無效，MAX485處于接收狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先使能RTS，將MAX485芯片置于發(fā)送狀態(tài)，然后發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，需及時收回（復(fù)位）RTS信號，并將MAX485芯片置于接收狀態(tài)，以便接收對方的回應(yīng)（如果未能及時收回RTS信號，當(dāng)對方很快回應(yīng)時，不能正確接收回應(yīng)報(bào)文中的頭部字節(jié)）。

圖2為串口中斷的處理流程圖。

圖2 串口中斷處理流程

多串口卡共用一個中斷信號，當(dāng)中斷信號發(fā)生時，CPU首先判斷發(fā)生中斷的串口，并獲得串口號。然后讀取相應(yīng)串口的狀態(tài)寄存器，判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷。如果是接收中斷，讀取接收數(shù)據(jù)，并保存到內(nèi)存中的接收緩沖區(qū)；如果是發(fā)送中斷，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有則使能RTS信號，將MAX485芯片置于發(fā)送狀態(tài)，然后向ST16C554D寫入發(fā)送數(shù)據(jù)，等待下一次中斷，如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則檢查TSR的空標(biāo)志，如果不為空，則再次使能發(fā)送中斷，等待下一次中斷，如果為空，則復(fù)位（收回）RTS信號，將MAX485芯片置于接收狀態(tài)，一幀發(fā)送過程結(jié)束。

2 本方案的有益效果

（1）本方案利用ST16C554D兼容UART芯片的發(fā)送中斷使能特性，通過重復(fù)中斷的方式，輪詢TSR的空標(biāo)志。由于中斷處理的實(shí)時性，本方法可以精確控制RTS信號、MAX485的發(fā)送和接收狀態(tài)切換時間。

（2）本方案適用于9 600波特率以上的中、高速485通信，可以在不改變現(xiàn)有硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提高控制精度。

（3）采用通行硬件設(shè)計(jì)方案，無需更改現(xiàn)有硬件，只需在驅(qū)動軟件上稍作修改，即可實(shí)現(xiàn)485控制芯片收發(fā)方向精確控制。本方法在牽引變電站自動化系統(tǒng)的通信裝置中進(jìn)行了試用，效果良好，具有一定的適用性及應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

綜上所述技術(shù)屬于工業(yè)控制和電力系統(tǒng)自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種重復(fù)中斷方式RTS/485方向控制方法，成功解決了既有設(shè)計(jì)中高速485通信時485控制芯片的收發(fā)方向精確控制問題。本方法已成功申請并獲得發(fā)明專利授權(quán)證書（專利授權(quán)號為：ZL 2012 1 0372192.X）。該方法已成功應(yīng)用于鐵路及城市軌道交通領(lǐng)域的新產(chǎn)品開發(fā)中，如微機(jī)通信管理裝置、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器等，使裝置的通信傳輸能力及通信的可靠性得到有效提升。隨著高速鐵路及城市軌道交通的快速發(fā)展，本方案產(chǎn)品將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 高志國. 基于RS-485總線信號的可靠性研究[J]. 信息技術(shù)，2011，47（2）：42-44.

[2] 田偉. RS-485總線分支線短路故障檢測技術(shù)[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28（4）：176-179.

The paper relates in a type of repeated interruption mode RTS/485 directional control method, which is able to realize the purpose of accurate control of 485 communication direction without requirements of changing the design of hardware; it is applicable to medium and high speed 485 communication.

Repeated interruption; 485; control

U224.9

B

1007-936X(2018)02-0091-03

2017-06-19

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.024

李永征.南京國電南自軌道交通工程有限公司，高級工程師，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄗ冸娬咀詣踊?；范三龍，包素?南京國電南自軌道交通工程有限公司，高級工程師；張 林.南京國電南自軌道交通工程有限公司，工程師。