基于雙RS-485總線的多從機(jī)高效通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙磊 穆蔚偉 杜石雷

摘 要：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多從機(jī)通訊廣泛的應(yīng)用于各類現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)中，本文提出了基于雙RS-485總線的多節(jié)點(diǎn)快速通訊的協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，通過雙路RS-485總線連接與主控器與多個(gè)節(jié)點(diǎn)間，在不影響正常的數(shù)據(jù)上傳交互條件下，同時(shí)有效的提高了即時(shí)控制指令的下發(fā)與執(zhí)行效率;該系統(tǒng)采用私有化精簡(jiǎn)通訊協(xié)議，以適應(yīng)多節(jié)點(diǎn)、多功能的高效率通訊。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制;數(shù)據(jù)采集;RS-485

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.018

本文著錄格式：趙磊，穆蔚偉，杜石雷.基于雙RS-485總線的多從機(jī)高效通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2021，42（02）：061-063

Design and Implementation of Multi-Slave High-efficiency Communication Protocol Based on Dual RS-485 Bus

ZHAO Lei， MU Yuwei， DU Shilei

（Zhonghuan Information College Tianjin University of Technology， Tianjin? 300380）

【Abstract】：Industrial field multi-slave communication is widely used in various field communication systems. This article proposes a protocol implementation method for multi-node fast communication based on dual RS-485 buses， which one is connected to the master through dual RS-485 buses with multiple nodes， without affecting normal data upload interaction conditions， while effectively improving the issuance and execution efficiency of real-time control instructions; the system adopts a privatized and streamlined communication protocol to adapt to multi-node， multi-functional high efficiency communication.

【Key words】：industrial control;data acquisition;RS-485

0引言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多從機(jī)通訊通訊廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)控制中，目前在工業(yè)控制中多從機(jī)的數(shù)據(jù)通訊常見于基于RS-485的Modbus-RTU協(xié)議，但在對(duì)實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)通訊并存的系統(tǒng)中，Modbus-RTU協(xié)議的通訊效率難以達(dá)到某些應(yīng)用場(chǎng)景，無法兼顧數(shù)據(jù)采集、以及實(shí)時(shí)控制的要求，本文提出了一種基于雙RS485總線的多節(jié)點(diǎn)通訊協(xié)議，在較多從機(jī)接入總線時(shí)，可以有效的提高控制指令于數(shù)據(jù)采集的通訊效率。

1物理層設(shè)計(jì)

采用RS-485串行總線作為物理層設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中采用雙路RS-485總線連接于系統(tǒng)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間，RS-485總線采用平衡發(fā)送，差分接收的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此具有抑制共模干擾的能力，采用總線式連接，實(shí)現(xiàn)一主多從機(jī)的鏈路結(jié)構(gòu)，物理鏈路采用雙路通訊設(shè)計(jì)：控制總線、數(shù)據(jù)總線，在主從通訊中，控制總線多用于實(shí)時(shí)性較高的控制指令下發(fā)，以主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為主，當(dāng)各個(gè)從機(jī)接收到指令校驗(yàn)正確后立即執(zhí)行相應(yīng)操作，以提高控制指令的實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)總線多用于常規(guī)性數(shù)據(jù)采集，主機(jī)常以輪詢方式采集各個(gè)從機(jī)數(shù)據(jù)。物理層連接方式如圖1所示。

RS-485通訊是基于通用異步串行通訊的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通訊協(xié)議中以每個(gè)字節(jié)作為一幀，由多個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行通訊，通訊雙方或多方事先約定好通訊速率，按照此速率組成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行通訊。異步串行通訊幀結(jié)構(gòu)由以下位構(gòu)成：

起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”信號(hào)，表示傳輸字符的開始。

數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個(gè)字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時(shí)鐘定位。

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。

停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)中使用規(guī)定為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1位停止位，為保證控制指令的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，同時(shí)提高數(shù)據(jù)交互的效率，本系統(tǒng)中控制總線通訊速率為19200bps，數(shù)據(jù)總線通訊速率為115200bps，主機(jī)及各個(gè)從機(jī)均以此設(shè)置進(jìn)行通訊。

2數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制格式構(gòu)成的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊，由于系統(tǒng)中主機(jī)設(shè)備、從機(jī)設(shè)備均連接于同一總線，每個(gè)設(shè)備將以1個(gè)字節(jié)的地址作為唯一標(biāo)識(shí)，主機(jī)設(shè)備的地址固定為0x00，從機(jī)地址由設(shè)備自行固定從0x01開始編碼，最大支持128個(gè)設(shè)備，但須保持各個(gè)從機(jī)設(shè)備的地址唯一，0xFF表示廣播地址，所有設(shè)備均接收此數(shù)據(jù)。

主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)在數(shù)據(jù)幀中標(biāo)記接收從機(jī)，從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后首先校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀的完整性，校驗(yàn)成功后提取數(shù)據(jù)幀的地址字段，判斷是否屬于本機(jī)地址，將屬于本機(jī)地址的指令進(jìn)行處理，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

數(shù)據(jù)采用幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)送，每幀數(shù)據(jù)由可變長(zhǎng)度字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成，控制總線、數(shù)據(jù)總線均按照該幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊。該數(shù)據(jù)幀由幀頭、地址、功能碼、幀長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)字節(jié)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

幀頭：幀頭占用1字節(jié)，由系統(tǒng)固定設(shè)置為0xFE，作為該數(shù)據(jù)幀的起始同步字符的開始。

地址：地址字節(jié)為數(shù)據(jù)接收方地址，由數(shù)據(jù)發(fā)送方確定，符合地址設(shè)定的從機(jī)正常接收并處理數(shù)據(jù)，不符合地址設(shè)定的從機(jī)自動(dòng)放棄。

功能碼：功能碼為指示該幀功能作用，由數(shù)據(jù)發(fā)送方確定，數(shù)據(jù)接收方根據(jù)指令集進(jìn)行指令、數(shù)據(jù)處理。

幀長(zhǎng)度：幀長(zhǎng)度用來標(biāo)記該幀中有效載荷的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，長(zhǎng)度有效值為0-250字節(jié)。

數(shù)據(jù)：該部分為幀中有效載荷，用于傳輸數(shù)據(jù)使用，當(dāng)該指令無需參數(shù)或數(shù)據(jù)時(shí)，該字節(jié)長(zhǎng)度為0，當(dāng)該指令含有數(shù)據(jù)，則該部分?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)度由幀長(zhǎng)度字節(jié)標(biāo)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為準(zhǔn)，添加數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)：校驗(yàn)采用CRC-8對(duì)幀中所有字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)從幀頭開始截止到校驗(yàn)字節(jié)前。當(dāng)接收方接收到數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)中固定參數(shù)占用5字節(jié)，有效載荷長(zhǎng)度可變最少為0字節(jié)，最多為250字節(jié)，即數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度最少為5字節(jié)，最大為255字節(jié);由于幀最大長(zhǎng)度較小，可以有效的提高數(shù)據(jù)通訊的效率。

數(shù)據(jù)幀的界定由時(shí)間差決定，每幀數(shù)據(jù)中的字節(jié)間隔不得超過單字節(jié)數(shù)據(jù)通訊時(shí)長(zhǎng)，該時(shí)長(zhǎng)根據(jù)通訊波特率決定;協(xié)議規(guī)定各個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的時(shí)間差最少為5倍單字節(jié)數(shù)據(jù)通訊時(shí)長(zhǎng)，控制總線典型空閑時(shí)間約為4.2毫秒（波特率9600bps），數(shù)據(jù)總線典型空閑時(shí)間約為0.35毫秒（波特率115200bps），即總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備根據(jù)總線空閑時(shí)間判斷一幀數(shù)據(jù)是否完成傳輸。協(xié)議規(guī)定當(dāng)指令需要從機(jī)進(jìn)行反饋時(shí)，從機(jī)從接收到數(shù)據(jù)至回饋數(shù)據(jù)發(fā)送間隔必須保證在100毫秒內(nèi)，否則主機(jī)則認(rèn)為從機(jī)故障。

3應(yīng)用層設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)控制通訊的效率，系統(tǒng)采用控制指令與數(shù)據(jù)采集同步運(yùn)行的工作方式，在通訊協(xié)議中預(yù)設(shè)控制指令功能碼與數(shù)據(jù)采集功能碼，分別應(yīng)用于控制總線與數(shù)據(jù)總線。

控制指令以主機(jī)發(fā)送控制執(zhí)行為主，因此當(dāng)發(fā)生控制命令后可立即下發(fā)控制指令于從機(jī)，無需考慮數(shù)據(jù)采集總線工作情況，從而提高了控制指令的實(shí)時(shí)性，控制指令可以采用指定地址接收，也可以采用廣播接收方式，用于對(duì)單個(gè)從機(jī)，或所有從機(jī)進(jìn)行控制指令的下發(fā)。當(dāng)從機(jī)接收到控制指令，如接收成功可立即執(zhí)行，如果指令接收失敗或校驗(yàn)錯(cuò)誤，則由從機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤指令至主機(jī)，主機(jī)重新發(fā)送。

主機(jī)下發(fā)控制指令后相應(yīng)從機(jī)接收到指令解析成功后立即執(zhí)行，如由物理鏈路造成數(shù)據(jù)錯(cuò)位導(dǎo)致校驗(yàn)失敗，或從機(jī)不支持相應(yīng)控制指令導(dǎo)致控制指令執(zhí)行失敗，此時(shí)從機(jī)需立即向主機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤代碼，主機(jī)根據(jù)錯(cuò)誤代碼進(jìn)行重發(fā)或異常處理?？刂浦噶钔ㄓ嵙鞒倘鐖D3所示。

數(shù)據(jù)采集指令以主機(jī)輪詢從機(jī)的方式進(jìn)行，當(dāng)從機(jī)接入較多時(shí)輪詢時(shí)間將會(huì)相應(yīng)增加，因此數(shù)據(jù)采集指令適用于實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)采集，主機(jī)通過輪詢方式以此發(fā)送采集指令，各個(gè)從機(jī)接收到采集指令，接收成功后上傳數(shù)據(jù)，主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行下一從機(jī)的輪詢。

主機(jī)根據(jù)已接入總線的設(shè)備依次下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，對(duì)應(yīng)從機(jī)接收到數(shù)據(jù)采集指令后對(duì)指令進(jìn)行解析，并根據(jù)相應(yīng)要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回復(fù)數(shù)據(jù)，當(dāng)超過回饋時(shí)間，主機(jī)則認(rèn)為數(shù)據(jù)采集指令未收到或接收錯(cuò)誤，并進(jìn)行重發(fā)，當(dāng)多次指令未回饋，認(rèn)為從機(jī)掉線，主機(jī)做出相應(yīng)異常告警，并將該地址從機(jī)屏蔽，對(duì)其他正常從機(jī)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集指令通訊流程如圖4所示。

系統(tǒng)中預(yù)設(shè)部分常用指令，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用修改指令集，為提高系統(tǒng)的通訊效率，采用雙指令集進(jìn)行通訊，基本控制指令集如表1所示。

4結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多從機(jī)高效率通訊應(yīng)用，基于雙RS-485總線指令、數(shù)據(jù)獨(dú)立通訊的結(jié)構(gòu)，并使用精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及指令，減少數(shù)據(jù)幀大小，有效的提高了通訊速率，可以應(yīng)用于要求高實(shí)時(shí)性工業(yè)控制的數(shù)據(jù)通訊。