一種提高RS485總線(xiàn)實(shí)時(shí)性的設計方案

目前已有的一些研究采用硬件改造和CSMA/CD的方法使系統具有多主結構，從而提高實(shí)時(shí)性，但是實(shí)現較為復雜。提出一種基于協(xié)議的提高RS 485總線(xiàn)實(shí)時(shí)性的設計方案，該方案不需要修改硬件，不需要額外資源，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序修改。實(shí)驗結果表明該方案能有效提高系統的實(shí)時(shí)性。

0 引言

RS 485 總線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、工業(yè)控制、安全監控等領(lǐng)域。RS 485一般采用半雙工的通信方式，即在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線(xiàn)發(fā)送數據，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據，將會(huì )導致所有發(fā)送的數據發(fā)送失敗，即所謂的總線(xiàn)沖突。

為了避免總線(xiàn)沖突，整個(gè)RS 485 通信系統一般由一個(gè)主節點(diǎn)、多個(gè)從節點(diǎn)組成。數據通信一般采用主節點(diǎn)輪詢(xún)各個(gè)從節點(diǎn)的方式。各個(gè)從節點(diǎn)有自己的通信地址，只有主節點(diǎn)輪詢(xún)幀中的地址信息與自己的地址相同時(shí)，此從節點(diǎn)才會(huì )進(jìn)行應答，其他從節點(diǎn)則忽略此幀，不做任何處理。這種傳統的主從調度方式雖然不會(huì )引起總線(xiàn)沖突，但是也存在著(zhù)一些局限性。從節點(diǎn)需要發(fā)送數據必須等到主節點(diǎn)輪詢(xún)到自身，系統的通信效率較低，總線(xiàn)的利用率也較低。每個(gè)從節點(diǎn)在一個(gè)輪詢(xún)周期中只有一次發(fā)送數據的機會(huì )，有實(shí)時(shí)性要求的信息得不到及時(shí)發(fā)送，系統的實(shí)時(shí)性較差。

為了提高RS 485 通信系統的實(shí)時(shí)性，目前國內外已進(jìn)行了一些研究工作，大多采用對RS 485 進(jìn)行軟硬件改造使其具有多主結構的方法，使得從節點(diǎn)能夠隨機發(fā)送數據。提出的實(shí)現方法是將RS 485接口芯片的數據接收引腳通過(guò)一反相器接到CPU的外部中斷引腳，用觸發(fā)中斷的方式判斷總線(xiàn)上是否有數據傳輸，同時(shí)結合定時(shí)器中斷判斷總線(xiàn)是否空閑;如果總線(xiàn)空閑就獲得總線(xiàn)控制權發(fā)送數據，然后用監聽(tīng)自己發(fā)送數據的方法判斷是否發(fā)生總線(xiàn)沖突，如果發(fā)生沖突，則隨機延時(shí)一段時(shí)間，再重新偵聽(tīng)發(fā)送。的方法也與之類(lèi)似。這些方法一般需要額外的硬件資源，需要對原設備進(jìn)行硬件改造;方法中提到的碰撞處理一般都采用CSMA/CD的隨機退避算法，實(shí)現較為復雜，而且時(shí)間不可預計，不能保證實(shí)時(shí)性要求。

本文提出一種基于協(xié)議的新方法，該方法不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡(jiǎn)單的修改就能升級RS 485 通信系統，提高從節點(diǎn)自主發(fā)送數據的能力，從而提高系統的通信效率和實(shí)時(shí)性。

1 工作原理

通信系統仍舊采用一個(gè)主節點(diǎn)、多個(gè)從節點(diǎn)的結構，主節點(diǎn)每次在輪詢(xún)完一個(gè)從節點(diǎn)以后，留出一段空隙時(shí)間給從節點(diǎn)按需主動(dòng)上傳信息。從節點(diǎn)如果有實(shí)時(shí)性要求的信息需要上傳，除了在主節點(diǎn)輪詢(xún)到自身時(shí)可以上傳，在空隙時(shí)也能上傳。首先規定從節點(diǎn)在空隙上傳數據的先后順序，即上傳機會(huì )的獲取機制，一種方法是按優(yōu)先級分配時(shí)間片，從節點(diǎn)只能在獲取了規定的發(fā)送機會(huì )時(shí)利用空隙上傳數據。如果在一個(gè)空隙中，有多個(gè)從節點(diǎn)需要上傳數據，從節點(diǎn)需要在等待屬于自己的發(fā)送機會(huì )時(shí)偵聽(tīng)總線(xiàn)的狀態(tài)，如果偵聽(tīng)到總線(xiàn)上已經(jīng)有其他節點(diǎn)進(jìn)行了數據傳輸，則從節點(diǎn)必須放棄這次空隙上傳的機會(huì )，等待下次空隙。

通過(guò)理論分析可以比較本文提出的新方法與傳統的輪詢(xún)方式的實(shí)時(shí)性。一個(gè)傳輸單元由1 位起始位、8 位數據位、1位校驗位、1位停止位組成，一個(gè)傳輸單元的傳輸時(shí)間稱(chēng)為字節時(shí)間Tbyte ,波特率為baudrate ,則：

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設主節點(diǎn)發(fā)送的輪詢(xún)幀長(cháng)度為L(cháng)master ,從節點(diǎn)回復的數據幀長(cháng)度固定為L(cháng)slave ,從節點(diǎn)數量為N ,假設所有從節點(diǎn)都正常，去除收發(fā)狀態(tài)切換、幀間隔、程序處理等時(shí)間影響，則一個(gè)輪詢(xún)周期Tcycle 理想的理論值為：

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若采用本文提出的新方法，假設從節點(diǎn)的有實(shí)時(shí)性要求的信息平均需 x(0  x  N - 1) 次空隙才能夠獲取總線(xiàn)，則響應時(shí)間Tresponse′ 平均值為：

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當x = N - 1 時(shí)，響應時(shí)間Tresponse′ 最大值為：

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采用新方法的實(shí)時(shí)數據平均響應時(shí)間更短，系統的實(shí)時(shí)性更好。

由式(3)與式(6)可知，采用新方法的響應時(shí)間在最差情況下比傳統輪詢(xún)方式的最差情況的響應時(shí)間更長(cháng)，大約為其2倍。綜合上述分析，新方法與傳統方法的實(shí)時(shí)性由平均所需空隙次數x 決定，新方法適用于各從節點(diǎn)的有實(shí)時(shí)性要求的信息產(chǎn)生的時(shí)間比較離散，碰撞較少的場(chǎng)合。

2 軟件實(shí)現

與傳統輪詢(xún)方式相比，新方法的軟件實(shí)現的主要不同是從節點(diǎn)空隙時(shí)間的處理。其主要包括兩部分，一部分為總線(xiàn)狀態(tài)偵聽(tīng)，一部分為空隙中發(fā)送機會(huì )的獲取判斷，流程圖如圖1所示?？偩€(xiàn)狀態(tài)偵聽(tīng)的具體實(shí)現方法有許多種，可以使用串口中斷來(lái)偵測總線(xiàn)是否有數據傳輸，不需要額外使用其他資源。串口在完整接收完一個(gè)字節數據后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，所以如果從節點(diǎn)在等待自己的時(shí)段時(shí)產(chǎn)生了串口接收中斷，則表明總線(xiàn)上有數據傳輸，總線(xiàn)為忙碌狀態(tài)。

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3 實(shí)驗與分析

本文針對上述方法進(jìn)行了實(shí)驗測試。實(shí)驗環(huán)境為：

1個(gè)主節點(diǎn)、16個(gè)從節點(diǎn)、波特率為1 200 b/s、從節點(diǎn)固定幀長(cháng)度。有實(shí)時(shí)性要求的緊急數據采用隨機產(chǎn)生的方式，產(chǎn)生的時(shí)間間隔為1~2 min.對每個(gè)從節點(diǎn)從緊急事件產(chǎn)生到獲取總線(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行計時(shí)，得到緊急事件的響應時(shí)間，持續運行1 h,然后每個(gè)從節點(diǎn)對各自的所有響應時(shí)間求平均值。從節點(diǎn)幀長(cháng)度為25 B的緊急事件平均響應時(shí)間如圖2所示。其中，實(shí)線(xiàn)指示采用上述新方法的測試結果，虛線(xiàn)指示采用傳統輪詢(xún)方式的測試結果。由圖可見(jiàn)，采用新方法的所有從節點(diǎn)的平均響應時(shí)間在500 ms以?xún)?，而采用傳統輪詢(xún)方法從節點(diǎn)平均響應時(shí)間都大于1 500 ms,較大的甚至大于3 000 ms,新方法大大提高了系統的實(shí)時(shí)性。

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從節點(diǎn)幀長(cháng)度為155 B 的緊急事件平均響應時(shí)間如圖3所示，從圖中可以得到同樣的結論。

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4 結語(yǔ)

本文提出一種基于協(xié)議的提高RS 485實(shí)時(shí)性的設計方案，通過(guò)理論分析和實(shí)驗驗證表明：在從節點(diǎn)實(shí)時(shí)性信息整體產(chǎn)生間隔大于一個(gè)輪詢(xún)周期的情況下，響應時(shí)間最大可以縮短為傳統輪詢(xún)方式響應時(shí)間的1/N( N 為從節點(diǎn)數量)。該方案非常適用于像氣體數據采集這樣的數據量大、數據變化緩慢、突變數據實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。而且采用該方案不需要額外資源、不需要改造硬件，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序修改即可實(shí)現現有系統的升級，簡(jiǎn)單實(shí)用，具有廣闊的應用前景。