基于RS-485總線(xiàn)的多主機通信方法

摘要：針對RS-485總線(xiàn)多個(gè)節點(diǎn)之間無(wú)法自由通信的問(wèn)題，介紹一種多主機通信方法，以探討總線(xiàn)接口電路和組網(wǎng)方式，并通過(guò)設計通信協(xié)議和規劃通信過(guò)程，完成相關(guān)程序設計。此方法在某裝備模擬項目中得到應用，取得了預期的效果。

引言

　　RS-485接口以其結構簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在現場(chǎng)總線(xiàn)中得到廣泛應用。傳統的RS-485總線(xiàn)要求在同一時(shí)刻只能有一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行數據發(fā)送，為此多采用一主多從方式或分時(shí)復用方式。一主多從方式，即網(wǎng)絡(luò )中有一個(gè)主節點(diǎn)和若干個(gè)從節點(diǎn)，由主節點(diǎn)輪詢(xún)各個(gè)從節點(diǎn)以實(shí)現數據通信。分時(shí)復用方式，即總線(xiàn)控制權分時(shí)交由各個(gè)節點(diǎn)使用，各節點(diǎn)按照預先分配的時(shí)間段發(fā)起通信。遇到節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送實(shí)時(shí)要求高，節點(diǎn)數目不確定，且各個(gè)節點(diǎn)通信負荷不均衡等通信系統時(shí)，上述兩種通信模式的總線(xiàn)利用率和實(shí)時(shí)性都相對較低。在模擬器材通信中，經(jīng)常會(huì )遇到各節點(diǎn)不定期、多批次主動(dòng)發(fā)起通信的情況，在應用RS-485網(wǎng)絡(luò )時(shí)顯得較為不便。為此，需要研究一種基于RS-485總線(xiàn)的多主機通信方法，并在模擬訓練中得到應用，以取得良好效果。

1 接口電路

　　RS-485 接口電路的主要功能是將來(lái)自微控制器(MCU)的發(fā)送信號TX通過(guò)“發(fā)送器”轉換成通訊網(wǎng)絡(luò )中的差分信號，將通訊網(wǎng)絡(luò )中的差分信號通過(guò)“接收器”轉換成MCU接收的RX信號。任一時(shí)刻，RS-485收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”兩種模式之一，因此，必須為RS-485 接口電路增加一個(gè)收/發(fā)邏輯控制電路。另外，RS-485接口電路的附加保護措施也是必須考慮的環(huán)節。

　　如圖1所示為我們設計的RS-485總線(xiàn)接口電路，核心芯片為SP3485，該芯片為+3.3V低功耗半雙工收發(fā)器，滿(mǎn)足RS-485和RS-422串行協(xié)議的要求，數據傳輸速率可高達10Mbps(帶負載)，與Sipex的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時(shí)兼容工業(yè)標準規范。SP3485發(fā)送器的輸出是差分輸出，空載時(shí)輸出電壓的大小為0V～+3.3V，即使在差分輸出連接了54Ω負載的條件下，發(fā)送器仍可保證輸出電壓大于1.5V。發(fā)送器輸出最大250mA ISC的限制使SP3485可以承受-7.0V～+12.0V共模范圍內的任何短路情況，保護IC不受損壞。SP3485接收器的輸入是差分輸入，輸入靈敏度可低至±200mV。接收器的輸入電阻通常為15k?(最小為12k?)。-7V～+12V的寬共模電壓范圍允許系統之間存在大的零電位偏差。SP3485接收器還具有故障自動(dòng)保護(fail-safe)特性，可在輸入懸空時(shí)使輸出保持在高電平狀態(tài)。

　　控制該電路工作的MCU采用STM32F103VET6，該芯片為100引腳LQFP封裝，采用Cortex-M3內核，處理速度可達72MHz，具有64K RAM和512K Flash，支持CAN、I2C、 SPI、USART、USB等接口。其串行口通過(guò)RXD(即485_RX引腳)連接SP3485芯片的RO引腳，通過(guò)TXD(即485_TX引腳)連接芯片的DI 引腳。MCU輸出的485_DIR信號控制芯片的發(fā)送器/接收器使能，亦即控制通信方向。當485_DIR信號為“1”時(shí)，發(fā)送器工作，接收器失效，此時(shí)MCU可向RS-485 總線(xiàn)發(fā)送數據;485_DIR信號為“0”時(shí)，發(fā)送器失效，接收器工作，此時(shí)MCU可以接收來(lái)自RS-485 總線(xiàn)的數據。

　　為保證電路工作穩定可靠，電路中B引腳連接上拉電阻R2，A引腳連接下拉電阻R3，這樣在上電或不傳輸數據時(shí)能保證RS485總線(xiàn)處于確定狀態(tài)，為總線(xiàn)提供網(wǎng)絡(luò )失效保護，以提高RS-485節點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò )的可靠性。

　　電阻R5為備用設計，如果將SP3485 連接至80C51或STM32F103VET6等MCU芯片的UART串口，則SP3485芯片的RO引腳不需要上拉(R5為0Ω);否則，需考慮將R5更換為約10K 的上拉電阻。

　　考慮到485總線(xiàn)在組網(wǎng)時(shí)，位于網(wǎng)絡(luò )兩端的節點(diǎn)需要增加120Ω終端電阻，我們在485_B和485_A之間放置了終端電阻R4，為便于使用者靈活調整節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的位置，我們還為終端電阻設計了選擇跳線(xiàn)JP1。

2 組網(wǎng)方式

　　RS-485總線(xiàn)組網(wǎng)方式如圖2所示，所有RS-485節點(diǎn)全部掛在一對RS-485總線(xiàn)上。注意RS-485總線(xiàn)不能夠開(kāi)叉、但是可以轉彎。RS-485網(wǎng)絡(luò )采用直線(xiàn)拓樸結構，需要安裝2個(gè)終端匹配電阻。終端匹配電阻安裝在RS-485 傳輸網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)端點(diǎn)，并聯(lián)連接在A(yíng)-B 引腳之間，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗(一般取值為120Ω)。終端匹配電阻主要作用是使總線(xiàn)的阻抗連續，以減少信號的反射，從而提高信號的傳輸質(zhì)量。在矩距離(300 米以下)、低波特率(19200bps)數據傳輸時(shí)可不需終端匹配電阻。

3 多主機通信協(xié)議

　　穩定可靠的通信不僅依賴(lài)硬件環(huán)境，對通信協(xié)議也有很高的要求。為了解決RS-485總線(xiàn)多主機通信的問(wèn)題，需要對RS-485通信協(xié)議進(jìn)行研究。

3.1 幀結構

　　設定起始符為字符’$’?？紤]到便于報文接收，起始符應與設備地址不同。目的節點(diǎn)、源節點(diǎn)均為網(wǎng)內設備節點(diǎn)地址，取值為1~32。幀長(cháng)度是從起始符到結束符的字符長(cháng)度，取值為7~255。結束符為字符’@’。

　　幀校驗(FCS)通?？刹捎闷媾夹ｒ?、和校驗、CRC校驗等方法，前兩者處理相對簡(jiǎn)單，節省運算時(shí)間，但存在漏檢的可能，后者處理相對復雜，需要一定的運算時(shí)間，但可靠性?xún)?yōu)于前面兩種方法。在具體應用時(shí)，可根據需要自行選擇。本文幀校驗方法為從目的地址開(kāi)始，到數據的最后一個(gè)字節為止，各字節依次異或，最后得到的數值即為幀校驗值，如果接收方發(fā)現校驗錯誤則應要求發(fā)送方重發(fā)。

　　值得注意的是，對于起始符、結束符與數據幀內容重疊時(shí)的處理，采用數據字節前插入0xFF的辦法加以識別。例如，要發(fā)送的數據為0X24，與結束符重疊，則在報文中應寫(xiě)為0xFF 0x24。

3.2 通信過(guò)程

3.2.1 發(fā)送方工作流程

　　RS-485總線(xiàn)采用半雙工工作方式，全網(wǎng)在同一時(shí)刻只能有一個(gè)設備在發(fā)送報文(扮演主機)，此時(shí)其它設備處在接收狀態(tài)(扮演從機)?；趯煽啃缘目紤]，采取如圖3所示通信流程。

　　具體解釋如下：F_BUSY為總線(xiàn)忙標志，取值為“1”時(shí)表示“總線(xiàn)忙”，N為發(fā)送報文后對方無(wú)應答時(shí)報文的重傳次數，M為接收到的報文出現FCS錯誤時(shí)的重傳次數。當系統初始化時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)的F_BUSY均為0，即總線(xiàn)空閑， N、M均為0。

　　發(fā)送方的工作流程如下：

　　總線(xiàn)的申請和釋放均由通信的發(fā)起方完成。

　　步驟一：申請總線(xiàn)。發(fā)送報文前先進(jìn)行“忙”檢測，當F_BUSY為“0”時(shí)發(fā)送“申請總線(xiàn)”報文，通知全網(wǎng)節點(diǎn)即將占用總線(xiàn)，并開(kāi)啟計時(shí)器，無(wú)關(guān)節點(diǎn)收到該報文后將F_BUSY置為1，并禁止本地發(fā)送報文，目的節點(diǎn)收到后發(fā)送“確認可用”報文。當F_BUSY為“1”或計時(shí)已到卻未收到“確認可用”報文，則隨機延時(shí)后重新申請總線(xiàn)。

　　步驟二：發(fā)送報文。

　　步驟三：等待應答。發(fā)送報文后，啟動(dòng)計時(shí)器，等待對方的接收應答，如在規定時(shí)間內未收到對方應答，則進(jìn)行報文重傳，并將重傳次數N加1。如果重傳已達三次，則認為網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)，釋放總線(xiàn)，結束通信。

　　步驟四：出錯重傳。如果對方應答幀內容為“FCS錯誤”報文，則進(jìn)行報文重傳，并把M加1。如果重傳已達三次，則認為網(wǎng)絡(luò )不穩定，釋放總線(xiàn)，結束通信。

　　步驟五：釋放總線(xiàn)。報文發(fā)送流程結束后，該節點(diǎn)發(fā)出“釋放總線(xiàn)”報文，各節點(diǎn)將F_BUSY置為0，總線(xiàn)恢復空閑狀態(tài)。

　　發(fā)送方的處理中，在申請總線(xiàn)階段沒(méi)有考慮消息碰撞問(wèn)題，這主要是基于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量有限，碰撞幾率較低的考慮。為增強報文的可靠性，須進(jìn)行幀校驗處理。在等待應答階段，采取ARQ技術(shù)，對出錯報文進(jìn)行請求重傳。為避免程序陷入死循環(huán)，針對對方無(wú)應答或報文幀校驗錯誤的情況采用了有限次重傳的機制。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第45頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。