基于CORTEX-M3的多機通信網(wǎng)絡(luò )的設計與實(shí)現

摘要：系統以STM32F103作主控單元，使用RS485通信總線(xiàn)，制定了一套通信協(xié)議，從軟件角度保證了總線(xiàn)仲裁機制的完整，保證了測控網(wǎng)絡(luò )的正常運轉。在系統設計論述過(guò)程中，根據RS485通信總線(xiàn)的特點(diǎn)，論述了系統中多機通信設計的原理及過(guò)程，結合在系統調試過(guò)程中遇到的問(wèn)題，提出了在使用RS485過(guò)程中的注意事項。

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，測控設備逐漸智能化。企業(yè)信息化需求在設備選型時(shí)一個(gè)必要條件就是設備要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。RS232接口能夠實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，但不能實(shí)現聯(lián)網(wǎng)功能，且遠距離傳輸性能抗干擾性差。RS485接口解決了此問(wèn)題，其數據傳輸最高速率可達到10 Mbps，且接口采用平衡驅動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強，抗噪性好，適合于遠距離傳輸。RS485總線(xiàn)最大可以支持32個(gè)節點(diǎn)，通過(guò)特制芯片，最大可以支持400個(gè)節點(diǎn)，因此，RS485非常適合于分布式測控系統通信領(lǐng)域。但RS485只能代表通信的物理介質(zhì)，數據的傳輸訪(fǎng)問(wèn)必須開(kāi)發(fā)相應的程序。

CORTEX—M3是基于A(yíng)RM7架構的處理器內核，采用哈佛架構，其功耗低，性?xún)r(jià)比高。在多機通信網(wǎng)的設計中，經(jīng)過(guò)需求分析，提出并設計了一種基于CORTEX—M3的多機通信網(wǎng)絡(luò )。設計中，CORTEX—M3用做系統終端，作為主機和從機。從機負責前端系統的各類(lèi)數據測量，主機作為控制端，負責各從機測量信息的采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對從機的控制。在系統的設計中，網(wǎng)絡(luò )傳輸接口采用RS485，根據通信網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，設計中自制了RS485多機通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)了基于CORTEX—M3處理器的通信接口程序，程序移植性好，可以移植到CORTEX—M3內核的通信網(wǎng)絡(luò )當中。經(jīng)過(guò)測試，系統通信性能良好，無(wú)數據丟失及網(wǎng)絡(luò )死鎖現象。

1 RS485介紹

RS-485標準是為彌補RS-232通信距離短、遠距離通信的抗干擾性能差等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS-485標準只規定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒(méi)有規定接插件、傳輸電纜和應用層通信協(xié)議。

RS-485標準與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，它使用一對雙絞線(xiàn)，將其中一線(xiàn)定義為A，另一線(xiàn)定義為B，如圖1所示。

圖2中，RS485發(fā)送器中A、B之間的高電平是在+2～+6 V之間，表示正邏輯狀態(tài);低電平是在-2～-6 V之間，表示負邏輯狀態(tài)。對于RS485接收端，當在A(yíng)、B之間有大于+200 mV電壓，輸入為正邏輯電平;小于-200 mV，輸入為負邏輯電平，如圖3所示。圖1中RS-485器件中有一個(gè)信號地，一般，各器件信號地可以連接在一起，或者不連接;器件中，另有一個(gè)“使能”控制信號端，用于控制RS485是作為發(fā)送端還是作為接收端。當使能端為高電平時(shí)，作為發(fā)送端，當為低電平時(shí)，作為接收端。RS485為半雙工通信方式，同一時(shí)刻，器件只能作為發(fā)送端或接收端，軟件設計總線(xiàn)仲裁中，通過(guò)“使能”信號控制。

2 RS485在系統中的應用

RS485多機通信中，各器件中的A點(diǎn)連接在一起，B點(diǎn)連接在一起，通過(guò)雙絞線(xiàn)連接，所有RS485節點(diǎn)掛接在一對RS485總線(xiàn)上。由于RS485為半雙工工作模式，同一時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò )中只允許一臺RS485接口設備處于發(fā)送狀態(tài)，否則，總線(xiàn)上的數據會(huì )混亂;此外，由于RS485缺乏硬件仲裁機制，通信中，無(wú)法通過(guò)硬件仲裁來(lái)釋放及占有總線(xiàn)，在多機通信網(wǎng)絡(luò )中，可以從軟件角度考慮總線(xiàn)仲裁。而RS485標準沒(méi)有規定應用層通信協(xié)議，在軟件設計系統總線(xiàn)仲裁中，可以根據系統特性及功能，制定相應的應用通信層協(xié)議。

1)系統簡(jiǎn)述

系統中網(wǎng)絡(luò )結構采用星形網(wǎng)絡(luò )結構，網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖4所示。

系統中的網(wǎng)絡(luò )結構由主控機(M0)、從機(S1、S2……)構成，均為嵌入式系統設備，內核為CORTEX—M3。本系統中所有的RS485終端設備為嵌入式設備，終端設備接口一致，直接通過(guò)雙絞線(xiàn)連接。

主機負責測控系統的信息采集?？刂菩畔l(fā)送;各從機負責及完成各種信息的測量及數據轉換，并將測控信息發(fā)送給主機。系統采用星形拓撲結構，分支節點(diǎn)故障查找方便，由于接口簡(jiǎn)單，擴展性良好，中心節點(diǎn)通信軟件協(xié)議較復雜，而各分支節點(diǎn)通信協(xié)議較簡(jiǎn)單。

2)RS485通信協(xié)議總線(xiàn)設計

通信協(xié)議的設計主要包括物理層和數據鏈路層：

物理層實(shí)現以下功能：

發(fā)送數據時(shí)，將數據鏈路層送來(lái)的數據按字節進(jìn)行并串轉換，增加起始位、奇偶校驗位及停止位，然后將轉換后的信號發(fā)送到物理信道上;接收數據時(shí)，從物理信道串行接收電平信號，然后進(jìn)行電平轉換、奇偶校驗、串并轉換，得到所接收的數據。

數據鏈路層實(shí)現以下功能：

數據鏈路層位于物理層和應用層之間，為應用層提供統一的接口函數，實(shí)現無(wú)差錯的雙向數據傳輸。數據鏈路層協(xié)議主要包括幀格式設計、傳輸速率設置、幀收發(fā)程序、字符串收發(fā)程序。

①串口驅動(dòng)程序設計

STM32F103串口驅動(dòng)程序的設計調用系統庫函數，省去了很多底層函數的編寫(xiě)。幀格式設計、傳輸速率設置通過(guò)結構體InitType DefInit StruCture結構體賦并初始化完成;幀的發(fā)送及接收已有庫函數USART_ReceiveData(USART_TypeDef*USARTx)及USART_SendData(USART_Type Def*USARTx，uint16_tData)，通過(guò)這兩個(gè)函數的應用，可以實(shí)現字符串的收和發(fā)程序，簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。

在串口驅動(dòng)程序設計中，需要注意的是：在接收及發(fā)送幀數據時(shí)，使能端的電平設置，因此收發(fā)程序不能直接使用stm32f中的庫函數。據此，在串口驅動(dòng)程序的設計中，重新編寫(xiě)了接收及發(fā)送字節函數。發(fā)送字節函數示例：

②通信協(xié)議設計

為了實(shí)現從機信息正確的接收，在設計過(guò)程中，根據系統特點(diǎn)，制定了相應的通信協(xié)議：人為認為每臺從機有地址編碼，例如，1號機地址為0x1，2號機地址為0x2，以此類(lèi)推，此數據也代表了從機機號。從機全部作為接收端，等待接收命令。

第一步：所有從機處于接收等待狀態(tài);主機發(fā)送一幀數據表示地址，從機接收并判斷是否為本機地址：是，則響應;否則，丟棄此幀數據，繼續等待接收本機地址幀;

第二步：從機接收到本機地址幀后，發(fā)送一個(gè)握手應答數據給主機。此時(shí)，從機作為發(fā)送端，主機作為接收端。主機發(fā)送完地址幀后隨即切換狀態(tài)并等待接收握手應答數據。當接收到總線(xiàn)握手數據后，主機判斷是不是所需要讀取的機號的握手通信數據：是，則通信成功，讀取從機發(fā)送信息;否則，重新開(kāi)始地址發(fā)送;

第三步：從機發(fā)送總線(xiàn)握手信號后，隨即發(fā)送數據給主機。數據發(fā)送結束后，恢復等待接受狀態(tài)。

整個(gè)通信過(guò)程中，所有從機通信協(xié)議全部一致，從機接受地址信息并判斷后，如果和本機地址相符，則發(fā)送數據給主機。

按照系統中制定的通信協(xié)議，主機和從機的軟件設計流程圖如圖5一圖7所示。

從機作為測控前端，實(shí)現系統測控和數據傳送，其通訊受控于主機，因而從機接收數據采用中斷方式，即從機一旦接收到主機的呼叫信號，立即進(jìn)入接收中斷與主機通信，其工作流程圖如圖6、7所示。

在整個(gè)系統中，主從機均可作為發(fā)送端和接收端。同一時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò )中只能有一個(gè)發(fā)送端，因此，在設計通信協(xié)議的時(shí)候，注意狀態(tài)的切換;另根據RS485狀態(tài)工作時(shí)序特點(diǎn)，需要設計好收發(fā)之間的延時(shí)，否則會(huì )出現數據丟失現象。發(fā)送時(shí)，使能端置“1”，延時(shí)1 ms左右，再發(fā)送有效數據，一幀數據發(fā)送完畢后再延時(shí)1 ms，使能端置“0”。這樣總線(xiàn)在狀態(tài)切換時(shí)，使之有一個(gè)穩定的工作狀態(tài)。

3 結束語(yǔ)

系統使用RS485半雙工收發(fā)器，實(shí)現了基于CORTEX—M3的多機通信網(wǎng)絡(luò )的組建，主機利用順序方式采集數據，實(shí)現了一主多從的通訊方式。主從機通過(guò)狀態(tài)的切換，都可以扮演發(fā)送端及接收端的角色，本質(zhì)上還是使用了半雙工通信的特點(diǎn)，利用軟件進(jìn)行任務(wù)調度，最終實(shí)現了星形網(wǎng)絡(luò )多機通信。本文設計的RS485通信協(xié)議可移植性強、穩定性高、易擴展，可以廣泛應用于工業(yè)控制、現場(chǎng)總線(xiàn)、遠程監控等領(lǐng)域。