基于RS485總線的可擴展局域網絡的研究

　　1 RS-485總線通訊的特點

　　RS-485是在RS-422的基礎上發(fā)展起來的，能實現一點對多點的通訊，也能實現多點雙向通訊，但同一時刻只能有一個發(fā)送器，其余的為接收器，即一主多從的通訊方式。目前市場上可供選擇的RS-485總線芯片很多，其中包括可支持128個節(jié)點的MAXl487和支持400個節(jié)點的SP485R。利用該類芯片可直接組成簡單的通訊網絡。

　　RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送、差分接收的方式，即在發(fā)送端將TTL信號轉換成差分信號輸出，在接收端，接收器將差分信號轉換成TTL信號。因此具有較高的共模抑制能力。同時接收用具有較高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，數據傳輸可達1 200m。如降低數據傳輸速率，則通訊間隔可更長。當通訊速率為1 200bps時，理論上通訊間隔可達15km。當傳輸間隔超過300m時，在網絡的二端需接進120Ω的匹配電阻，以減少因阻抗不匹配而引起的反射，吸收噪聲，從而有效抑制噪聲干擾。MAXl487的接口電路示意圖如圖1所示。

　　2網絡結構及實施方案

　　在實際應用中，RS-485總線芯片本身所擁有的節(jié)點數已不能滿足需求，而往往需要一個接點龐大的復雜局域網絡(如幾千甚至幾萬個節(jié)點)來完成。連接在該網絡中的各類設備能相互通訊，并且可以在一定節(jié)點數范圍內根據實際需要任意擴展，并做到即插即用。治理職員通過隨身攜帶的筆記本電腦，接進網絡中的任一接點，可了解整個網絡的運行情況。結適用戶應用程序，治理職員還可獲得連接于該網絡上相關設備的運行數據。

　　針對以上要求，局域網絡必須由多片具有RS-485總線的芯片連接而成。本文討論節(jié)點數≤32768點的局域網絡，使用MAXl487作收發(fā)器。根據RS-485總線的特點;在任一時刻，整個網絡只答應有一個發(fā)送器，其余的必須處于接收狀態(tài)。而接進網絡中的設備隨時可能有多個設備同時傳輸數據的要求，如不進行協(xié)調，就會出現總線競爭現象，使總線電子紊亂，整個網絡無法工作。

　　將一片MAXl487所能連接的128個節(jié)點作為一個子網，整個局域網絡由若干個子網組成。所有節(jié)點不直接和用戶設備相連，而是通過一個節(jié)點模塊和設備連接。這是一種二端帶通訊口的智能化模塊，內帶一個單片機系統(tǒng)，用于執(zhí)行局域網絡通訊協(xié)議，負責BS-485總線和設備間的通訊，同時參與整個局域網絡的通訊協(xié)調工作。模塊的一端為RS-485總線，用于連接網絡，另一端是RS-232總線(或TTL電平)與用戶設備、儀器儀表或智能傳感器連接。

　　子網中每個節(jié)點模塊都有自己的地址，用1個字節(jié)表示，即00H～7FH。而在整個局域網絡中，每個子網也有自己的子網地址，也用1個字節(jié)表示，即00H～FFH。這樣，在整個局域網絡中每個節(jié)點就有自己惟一的用2個字節(jié)的二進制數表示的地址，類似Internet中的IP地址，其地址格式如圖2所示。以00H子網05H節(jié)點為例，其中的"X"為無效位

　　規(guī)定每個子網中的地址為00H和7FH的2個節(jié)點為特殊節(jié)點。地址為00H的節(jié)點是該子網的治理者，協(xié)音調網中的通訊，同時也是該子網的一個數據出進口，和上一個地址為7FH的節(jié)點連接。地址為7FH的節(jié)點為該子網的另一個數據出進口，負責和下一個子網中地址為00H的節(jié)點連接。這表示子網之間是由2個背靠背的節(jié)點模塊通過RS-232總線相連的。

　　這2個背靠背的節(jié)點模塊又是子網之間的中繼站。同時還規(guī)定00H子網的00H節(jié)點，即地址為"00000000·00000000"的節(jié)點為整個網絡的最高治理者。局域網絡宜采用拓撲結構，以進步網絡運行效率，而鏈式結構可增加網絡的通訊間隔。RS-485總線構成的局域網絡結構示意圖如圖3所示(以00H、01H 2個子網為例)。

　　3節(jié)點模塊的設計

　　該局域網絡的關鍵是節(jié)點模塊的設計。這也是本局域網絡的特色所在，其中軟件設計至關重要。節(jié)點模塊主要完成網絡的治理和通訊。為了使模塊具有通用性，所有節(jié)點模塊具有相同的結構和軟件，只要按照網絡協(xié)議選擇好正確的地址，任一模塊都可相互替換。網絡中沒有專門的網絡服務器，任意一個節(jié)點模塊都具有服務器的功能。哪個節(jié)點模塊充當服務器是由其自身的地址決定的，因此節(jié)點模塊軟件應該具有自動識別地址的功能，以確定自己在網絡中的位置和角色。例如，當檢測到自身的地址是"00001010·×0000000"時，就知道自己是0AH子網中的OOH節(jié)點，并且是該子網中的治理者;當檢測到自身地址是"00000000·×0000000"時，就知道自己是整個局域網絡的最高治理者。節(jié)點模塊地址可由用戶自行設定。

　　為了實現即插即用功能，最高治理者必須定時向整個網絡廣播，以便收集網絡的運行情況(如是否有新節(jié)點加進，是否有節(jié)點從網絡上退出等)并形成網絡狀態(tài)注冊表，根據實際情況實時刷新。任何節(jié)點都可以向最高治理者取得該注冊表，以便治理職員從任一節(jié)點上獲得網絡運行狀態(tài)。

　　網絡空閑時，最高治理者不斷地向整個網絡發(fā)出詢問，監(jiān)視是否有數據通訊要求。子網內部的數據通訊由該子網的治理者(節(jié)點地址為00H)協(xié)調，只有跨子網傳輸數據時，最高治理者(子網地址為00H，節(jié)點地址也是00H)才會干預。節(jié)點模塊中有8KB的SRAM作為數據緩沖區(qū)，另外有2KB的E2PROM用于保存注冊表等信息。單片機的串行通訊口既要完成RS-485總線的通訊，又要完成由RS-232總線到設備的通訊，所以必須有通訊口切換功能。平時單片機的串行通訊口總是與RS-485總線相連，只有當設備需要傳輸數據時才切換到RS-232總線，所以系統(tǒng)還必須有對設備通訊請求的檢測功能。限于篇幅，軟件具體編程在此不作敘述。節(jié)點模塊的結構如圖4所示。

　　4總 結

　　理論上該局域網絡對節(jié)點的擴展沒有限制，但考慮到RS-485總線通訊速度的限制，因此網絡規(guī)模不宜過大。由前面的結構分析可知，網絡的可靠性取決于子網。由于各子網間不會產生串擾，因此網絡的可靠性不會隨網絡的規(guī)模擴大而降低。這是一個通用的局域網絡，適合任何需要RS-485總線通訊的場合，因此實用性非常強。