TCN項目中基于RS-485通信的工程應(yīng)用研究

徐蔚中

摘 要 在當(dāng)前軌道交通車輛列車控制與診斷系統(tǒng)中，將TCN掛載在RS-485通信總線上的系統(tǒng)或設(shè)備接入到MVB總線或者列車以太網(wǎng)仍是一項關(guān)鍵的技術(shù)項點，并且不同總線和網(wǎng)絡(luò)的接口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)效果將影響網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量。本文從TCN工程應(yīng)用項目中遇到的RS-485總線網(wǎng)絡(luò)接入MVB總線網(wǎng)絡(luò)的實際問題點出發(fā)，重點關(guān)注RS-485通信的半雙工主從通信模式的特點，主要討論應(yīng)用層面的半雙工主從通信需要掌握和注意的關(guān)鍵技術(shù)要點，以及介紹其在TCN項目中起到的作用。

關(guān)鍵詞 RS-485 半雙工 主從通信 總線數(shù)據(jù)碰撞 通信質(zhì)量

中圖分類號：TN91 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0022-03

當(dāng)今列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN，Train Communication N-

etwork）正朝著高速率、多功能、大數(shù)據(jù)量等方向飛速發(fā)展，與現(xiàn)代社會互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和信息科技領(lǐng)域的發(fā)展趨勢相吻合。目前行業(yè)內(nèi)的TCN主要是基于多功能車輛總線（MVB，Multifunction Vehicle Bus）和絞線式列車總線（WTB，Wire Train Bus）來實現(xiàn)[1]，并且正朝著基于列車實時數(shù)據(jù)協(xié)議（TRDP，Train Real-time Data Protocol）的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)（ECN，Ethernet Consist N-

etwork）方向發(fā)展和推廣。與此同時，在實際的TCN應(yīng)用中，由于技術(shù)、成本等原因，還可能存在著其他形式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和接口。RS-485通信就是其中一種，由于其雙絞線式總線成本低廉、抗干擾力較強、傳輸速率較高、便于實現(xiàn)等特點，仍有著較為廣泛的應(yīng)用。本文將結(jié)合工程項目中的實踐經(jīng)驗，對RS-485主從通信接口轉(zhuǎn)換技術(shù)要點進行研究和分析，形成公式，便于理解其技術(shù)要點，并助力于工程應(yīng)用設(shè)計開發(fā)。

1 基本原理和項目實踐介紹

實際項目運用的接口示意簡化圖如圖1所示，主設(shè)備Master和從設(shè)備Slave均有兩個冗余接口（Port1和Port2），接口均為UART（通用異步收發(fā)器）。主、從設(shè)備上的每個接口均通過RS-485總線與對方設(shè)備的對應(yīng)接口連接，總線為差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式，半雙工通信。主、從設(shè)備間通過Port1連接組成通道1，通過Port2連接組成通道2。

需要主從通信雙方協(xié)商確定的接口設(shè)置主要有表1所示幾項（參數(shù)為示例值）。

示例為半雙工主從通信機制，僅Master設(shè)備能夠根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議，輪詢周期每50ms主動發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀，作為通信請求。Slave設(shè)備在收到Master設(shè)備的請求數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)過呼吸時間延時，根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議發(fā)出響應(yīng)數(shù)據(jù)幀進行回復(fù)響應(yīng)[2]。Master的請求數(shù)據(jù)幀將同時從通道1和通道2發(fā)送至Slave設(shè)備，Slave設(shè)備默認(rèn)從通道1進行響應(yīng)回復(fù)。Slave設(shè)備如果連續(xù)5個輪詢周期（250ms）內(nèi)均未收到Master設(shè)備的請求數(shù)據(jù)幀，則切換至通道2進行回復(fù)響應(yīng)。若Master設(shè)備在連續(xù)10個輪詢周期（500ms）內(nèi)均未收到Slave設(shè)備的響應(yīng)回復(fù)，則視為通信異常。

上述UART接口配置中的數(shù)據(jù)格式即為RS-485通信的數(shù)據(jù)層協(xié)議。每次即將開始傳送一個字符時，先發(fā)出一位邏輯“0”信號作為起始位，隨后開始數(shù)據(jù)傳輸（本示例項目為8位）。奇偶校驗位通過將該bit位置位為邏輯“1”或“0”，來控制數(shù)據(jù)中的邏輯“1”的數(shù)量為偶數(shù)（偶校驗）或奇數(shù)（奇校驗），本示例項目不配置奇偶校驗位。

本字符傳輸結(jié)束后，隨即發(fā)出1位、1.5位或2位高電平，作為字符傳輸結(jié)束的標(biāo)志。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備都有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間會出現(xiàn)細(xì)微的不同步現(xiàn)象。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供設(shè)備收發(fā)接口校正時鐘同步的機會，適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

實際項目中應(yīng)用層另需雙方定義應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，示例Master設(shè)備發(fā)送至Slave設(shè)備的請求數(shù)據(jù)幀協(xié)議為30個字節(jié)，Slave設(shè)備發(fā)送至Master設(shè)備的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀協(xié)議為10個字節(jié)，幀頭和幀尾標(biāo)識均為固定值，數(shù)據(jù)幀的序號為0-255逐幀增加，累計至255后重新賦值為0，以便區(qū)分不同數(shù)據(jù)幀。CRC校驗結(jié)果為針對B1至B26/B6數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗結(jié)果（具體校驗算法可結(jié)合實際確定）。

2 存在的問題與初步分析

在實際項目運用中，發(fā)現(xiàn)存在偶發(fā)性通信異常問題，導(dǎo)致應(yīng)用業(yè)務(wù)故障，獲取實際總線數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在錯亂的情況。

正常情況下在50ms的輪詢周期中，應(yīng)為Normal所示每個輪詢周期一幀請求數(shù)據(jù)后跟隨一幀響應(yīng)數(shù)據(jù)的情況。而異常情況下，會出現(xiàn)Error所示三種情形：1、請求數(shù)據(jù)后跟隨多幀響應(yīng)數(shù)據(jù);2、請求數(shù)據(jù)后無響應(yīng)數(shù)據(jù);3、數(shù)據(jù)錯亂，數(shù)據(jù)幀不完整。

結(jié)合基本原理和項目實際情況分析，由于RS-485半雙工通信的特點，總線上同一時間僅能夠供給1個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需采用主從輪詢的方式進行通信[3]。某一設(shè)備在檢測到總線上有數(shù)據(jù)傳輸時，應(yīng)不允許自身數(shù)據(jù)發(fā)送。若同一時間雙方或多方設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則在總線上會出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯亂。此處的異常情形3即為主從雙方設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致主設(shè)備的輪詢數(shù)據(jù)無幀頭（數(shù)據(jù)碰撞導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯亂）。異常情形1為從設(shè)備自身未考慮半雙工通信的特點，在收到主設(shè)備請求數(shù)據(jù)后多次重復(fù)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。異常情形2為從設(shè)備采樣檢測請求數(shù)據(jù)周期不滿足要求，以及接收到的主設(shè)備請求數(shù)據(jù)錯誤或不完整，導(dǎo)致無法正確發(fā)出響應(yīng)數(shù)據(jù)。

因此在實際的運用實踐中，需結(jié)合通信方式和實際配置的特點，對涉及的接口參數(shù)和程序開發(fā)形成正確引導(dǎo)[4]，故對此類通信接口的特性展開研究是很關(guān)鍵的。

3 細(xì)化分析與研究

示例的半雙工主從通信過程示意圖如圖2所示，描述了一個通用示例周期的主從通信過程。在每個通信輪詢周期中，主設(shè)備傳輸完一幀請求數(shù)據(jù)，且從設(shè)備正確接收后，應(yīng)反饋且僅反饋一次響應(yīng)數(shù)據(jù)幀。圖中標(biāo)出了各個關(guān)鍵時間參數(shù)，其值為示例值。圖中參數(shù)具體含義如表2所示。

由于實際的程序運行和數(shù)據(jù)傳輸時間等都存在難以避免的誤差，所以實際情況下上述所有參數(shù)都是理論值。尤其是主設(shè)備的tRound與從設(shè)備的tCheck之間不可能完全同步，導(dǎo)致二者時間會存在著各種程度的錯位（圖中體現(xiàn)為tCheck與tRound開始、結(jié)束時間點的錯位），因此需考慮最差情況下的通信情形，以明確tCheck的參數(shù)設(shè)置要求。

分析可知，各參數(shù)之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：

tBlind+n*tCheck+tResponse≤tRound（n≥1）

tResponse≥tBreath+tAck

另外，理論上tBlind≤tReq，最差情況下出于預(yù)留應(yīng)考慮tBlind≥tReq。

現(xiàn)擬定擬定tBlind=tReq tCheck，tResponse= tBreath+ tAck，可得知tCheck應(yīng)滿足：

tCheck≤（tRound-tBlind-tResponse）/n（n≥1）

其中tReq與tAck需根據(jù)通信接口波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸格式和應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)幀長度進行計算。例如示例項目波特率為38.4kbps，傳輸每個字符（Byte）需消耗1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，共計10bit。請求數(shù)據(jù)幀為30Byte，響應(yīng)數(shù)據(jù)幀為10Byte，可得知傳輸請求數(shù)據(jù)幀和響應(yīng)數(shù)據(jù)幀分別需要7.8125ms和2.6042ms。

為便于計算與預(yù)留時間余量，設(shè)定tReq=10ms，tBreath+tAck=10ms，則示例中tCheck最大設(shè)置值（n=1時）應(yīng)滿足tCheck≤30ms。且從設(shè)備應(yīng)保證每次正確接收完請求數(shù)據(jù)后僅發(fā)送一幀響應(yīng)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

通過對RS-485通信的原理及應(yīng)用情景介紹和研究，深入了解了其在實際應(yīng)用中的實現(xiàn)方式和技術(shù)要點，結(jié)合工程實踐指出了在工程項目實踐中需要避免的問題點，分析研究了通信接口應(yīng)用參數(shù)的關(guān)系，最終以公式化的形式總結(jié)出其限制條件，對應(yīng)用開發(fā)形成了引導(dǎo)性結(jié)論。在應(yīng)用實踐中可參考本文內(nèi)容進行設(shè)計和問題排查，避免工程應(yīng)用中出現(xiàn)設(shè)計問題導(dǎo)致的通信故障和功能缺陷，提高應(yīng)用工程的效率和穩(wěn)定性，保障實踐應(yīng)用的安全。

參考文獻：

[1] 劉濤.帶有RS485轉(zhuǎn)換功能的一類網(wǎng)卡設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[2] 趙亮，張吉禮.提高RS485總線通信可靠性的優(yōu)化設(shè)計方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2015，55（04）：393-398.

[3] 陳航，嚴(yán)帥，劉勝，等.基于RS485總線的分布式高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2021（02）：71- 74，79.

[4] 柏思忠.基于RS485數(shù)據(jù)幀計時的總線設(shè)備間距離測量[J].工礦自動化，2021，47（07）：92-97，114.