RS485通信最優(yōu)波特率研究

彭韜 劉根利 楊寶軍 翟淵

摘? ?要：在RS485總線中，主機(jī)和從機(jī)通常使用固定的波特率進(jìn)行通信;而在實(shí)際應(yīng)用中，波特率的大小和傳輸?shù)木嚯x是成反比的，波特率越高傳輸?shù)木嚯x越短，誤碼率增加越大。為避免波特率過高通信不可靠的問題，根據(jù)硬件波特率自適應(yīng)的機(jī)制，文章采用從機(jī)數(shù)量來計(jì)算最優(yōu)的波特率的方式進(jìn)行主從機(jī)通信。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可提高RS485通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：RS485總線;自適應(yīng);波特率

在RS485總線型中，主機(jī)和從機(jī)的通信是構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的生命線，通信波特率大小的選擇是一個(gè)困擾開發(fā)者的問題[1]。設(shè)計(jì)者都是憑著自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，在能夠滿足通信的情況下，采用固定大小的波特率進(jìn)行通信。但是在實(shí)際情況中，條件是會(huì)變化的，當(dāng)波特率不變的情況下，RS485總線越長，連接的從機(jī)數(shù)量越多，數(shù)據(jù)的傳輸效率就會(huì)越慢，從機(jī)設(shè)備的動(dòng)態(tài)增加變得極其困難，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性[2]。因此，根據(jù)從機(jī)數(shù)量的多少，計(jì)算出最優(yōu)波特率進(jìn)行通信傳輸變得尤為重要。本方案為解決主從機(jī)之間通信波特率的選擇提供了最優(yōu)解，面對(duì)不同的從機(jī)數(shù)量，主機(jī)采用不同的波特率進(jìn)行通信，經(jīng)過幾個(gè)月應(yīng)用在智能抄表的實(shí)驗(yàn)來看，采用本方案不僅通信穩(wěn)定，而且從機(jī)設(shè)備可動(dòng)態(tài)增加。

1? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

RS485總線型采用了半雙工通信方式，每臺(tái)從機(jī)和主機(jī)呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)建立連接，主從機(jī)默認(rèn)為接收狀態(tài)，主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行輪詢，主機(jī)發(fā)送信息給從機(jī)后，馬上轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，從機(jī)接收到信息再回復(fù)給主機(jī)，如圖1所示。主機(jī)和所有從機(jī)輪詢一遍稱為一個(gè)通信周期，理論上從機(jī)接收到主機(jī)命令再執(zhí)行的時(shí)間范圍小于一個(gè)時(shí)間周期。當(dāng)主機(jī)接到指令要求對(duì)應(yīng)從機(jī)執(zhí)行命令時(shí)，主機(jī)剛好輪詢到該目標(biāo)從機(jī)，則從機(jī)立即執(zhí)行，此時(shí)時(shí)間最短。若主機(jī)剛好輪詢過該目標(biāo)從機(jī)，則只有在下一個(gè)周期的輪詢中主機(jī)才能夠和從機(jī)通信，此時(shí)主機(jī)發(fā)送命令到從機(jī)執(zhí)行的理論時(shí)間為輪詢一個(gè)周期的時(shí)間。

2? ? 實(shí)現(xiàn)依據(jù)

目前，主流的ARM內(nèi)核的單片機(jī)比如STM32芯片中，自動(dòng)波特率檢測（Auto Baud Rate，ABR）使接收設(shè)備能夠接收來自各種以不同速率工作的發(fā)送設(shè)備數(shù)據(jù)，無需事先設(shè)定數(shù)據(jù)速率。ABR可在事先不知道系統(tǒng)的通信速度或者系統(tǒng)正在使用精確度相對(duì)較低的時(shí)鐘源且該機(jī)制允許在不測量時(shí)鐘偏差的情況下，獲得正確的波特率。

硬件自動(dòng)波特率檢測是基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)主機(jī)根據(jù)不同的從機(jī)數(shù)量和總線長度進(jìn)行對(duì)應(yīng)的波特率通信，提供了硬件依據(jù)。

波特率表示每秒鐘傳送的碼元符號(hào)的個(gè)數(shù)，是衡量數(shù)據(jù)傳送速率的指標(biāo)，用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示。波特率的大小直接影響了通信速率的快慢，波特率越高，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多，傳輸?shù)木嚯x越短，即波特率大小和傳輸距離成反比。在本方案中，輪詢一個(gè)周期的時(shí)間為T，排除從機(jī)本身的計(jì)算響應(yīng)等時(shí)間，從機(jī)自主機(jī)發(fā)送命令到響應(yīng)的時(shí)間為0～T。所以根據(jù)設(shè)定，假設(shè)一個(gè)輪詢固定周期時(shí)間T，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一定，則主機(jī)和一個(gè)從機(jī)的通信時(shí)間就一定，當(dāng)從機(jī)的數(shù)量變化時(shí)，波特率也隨著變化，在輪詢周期固定的情況下，波特率和從機(jī)數(shù)量成正比，從機(jī)數(shù)量越多波特率就越高。

3? ? ABR檢測模式

STM32產(chǎn)品上的自動(dòng)波特率檢測功能內(nèi)置了4種檢測模式。

模式0：在模式0下，接收端接收的字符以字符‘1開頭，接收端會(huì)通過測量起始位也即下降沿到上升沿的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算出發(fā)送端的波特率。

模式1：在模式1下，發(fā)送端會(huì)發(fā)送以10XX模式開頭的任意字符，接收端會(huì)測量起始位和第一個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間，相對(duì)于模式0，此時(shí)接收端測量的是波形下降沿到下降沿的持續(xù)時(shí)間，因此，在信號(hào)斜率較小的情況下仍能獲得較高的精度。

模式2：在模式2下，發(fā)送端發(fā)送固定字符0X7F，在此模式下，接收端首先在起始位結(jié)束處計(jì)算起始位持續(xù)時(shí)間然后更新波特率，然后在第6位結(jié)束時(shí)計(jì)算6個(gè)高位持續(xù)的時(shí)間再次更新波特率。

模式3：在模式3下，發(fā)送端發(fā)送固定字符0X55，接收端首先在起始位結(jié)束處計(jì)算起始位持續(xù)時(shí)間然后更新波特率，然后在位0結(jié)束處再次更新波特率，最后在位6的結(jié)束處同樣更新波特率。同時(shí)接收端還會(huì)對(duì)接收線路的每個(gè)中間轉(zhuǎn)換執(zhí)行其他檢查。

在以上4種工作模式下，STM32都會(huì)在同步數(shù)據(jù)接收期間多次檢測波特率，并將每一次的檢測值與上一次的檢測值進(jìn)行比較，從而確保發(fā)送端與接收端波特率的一致性，進(jìn)而提高通信可靠性。

4? ? ABR通信誤差

STM32的通信速率范圍由USART時(shí)鐘源也即FCK決定，為提高通信魯棒性，接收器可以采用過采樣技術(shù)，通過過采樣技術(shù)可區(qū)分有效輸入數(shù)據(jù)和噪聲，從而可以在最大通信速率與抗噪聲及時(shí)鐘不準(zhǔn)確性之間實(shí)現(xiàn)平衡。STM32支持16倍過采樣及8倍過采樣，可通過編程USARTx_CR1寄存器中的OVER8位來選擇過哪種過采樣模式。16倍過采樣時(shí)，波特率介于FCK/65535與FCK/16之間，8倍過采樣時(shí)，波特率介于FCK/65535與FCK/8之間。

波特率誤差取決于USART時(shí)鐘源、過采樣方法和ABR模式。當(dāng)時(shí)鐘頻率為72 MHz，預(yù)期波特率為115 200時(shí)，通過官方測試數(shù)據(jù)可知：ABR模式2和3的精確度高于模式0和1，它們的波特率誤差值更低。不過，由于預(yù)期波特率與實(shí)際波特率之間的誤差小于1%，因此所有模式均可正常工作。

5? ? 最優(yōu)波特率計(jì)算

設(shè)主機(jī)輪詢所有從機(jī)的周期時(shí)間為T，輪詢一個(gè)從機(jī)的時(shí)間為t，主機(jī)輪詢幀長度為L1，從機(jī)回復(fù)的數(shù)據(jù)幀長度為L2，從機(jī)數(shù)量為n，波特率為BR（baud rate）。假設(shè)只有一個(gè)從機(jī)的情況下，一個(gè)輪詢傳輸單元包含的數(shù)據(jù)字節(jié)位數(shù)為Q，則Q= L1+L2。

6? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)RS485總線下的智能抄表系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)據(jù)通信格式為8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。主機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)為3個(gè)字節(jié)，分別為地址碼、功能碼和CRC校驗(yàn)碼。從機(jī)回復(fù)一幀數(shù)據(jù)為6個(gè)字節(jié)，分別為地址碼、數(shù)據(jù)碼和CRC校驗(yàn)碼。其中，數(shù)據(jù)碼占用4個(gè)字節(jié)，輪詢一個(gè)從機(jī)總的字節(jié)數(shù)9個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)有8個(gè)bit，則輪詢一個(gè)從機(jī)的信息量為72 bit。測試中從機(jī)首先接入5個(gè)，輪詢所有從機(jī)的周期T定為1 s，經(jīng)實(shí)際測試波特率為360，理論計(jì)算結(jié)果為BR=72/1×5=360，實(shí)際測試與理論相符，從機(jī)增加到10個(gè)，波特率經(jīng)測試為720，也與理論計(jì)算相符合，由于波特率較低，單片機(jī)收發(fā)切換帶來的誤差可忽略不計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行幾個(gè)月未出現(xiàn)波特率變化或通信錯(cuò)誤問題，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

7? ? 結(jié)語

實(shí)際RS485通信應(yīng)用中，從機(jī)的數(shù)量會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)增加，通過采用自適應(yīng)波特率進(jìn)行主從機(jī)之間的通信，在可滿足通信要求的情況下降低系統(tǒng)通信的波特率，進(jìn)而減小誤碼率小并可提高傳輸距離，提升通信穩(wěn)定性。本方案在主控器支持自適應(yīng)波特率的場合均可以使用，具有良好的擴(kuò)展性。