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          基于RS-485總線的多主機通信方法

          作者:馬志強 楊海明 王蘇毅 時間:2015-12-28 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:針對RS-485總線多個節(jié)點之間無法自由通信的問題,介紹一種多主機通信方法,以探討總線接口電路和組網(wǎng)方式,并通過設(shè)計通信協(xié)議和規(guī)劃通信過程,完成相關(guān)程序設(shè)計。此方法在某裝備模擬項目中得到應(yīng)用,取得了預期的效果。

          摘要:針對總線多個節(jié)點之間無法自由通信的問題,介紹一種通信方法,以探討總線和組網(wǎng)方式,并通過設(shè)計和規(guī)劃通信過程,完成相關(guān)程序設(shè)計。此方法在某裝備模擬項目中得到應(yīng)用,取得了預期的效果。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/284991.htm

          引言

            接口以其結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠、成本低廉等優(yōu)點在現(xiàn)場總線中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的總線要求在同一時刻只能有一個節(jié)點進行數(shù)據(jù)發(fā)送,為此多采用一主多從方式或分時復用方式。一主多從方式,即網(wǎng)絡(luò)中有一個主節(jié)點和若干個從節(jié)點,由主節(jié)點輪詢各個從節(jié)點以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分時復用方式,即總線控制權(quán)分時交由各個節(jié)點使用,各節(jié)點按照預先分配的時間段發(fā)起通信。遇到節(jié)點主動發(fā)送實時要求高,節(jié)點數(shù)目不確定,且各個節(jié)點通信負荷不均衡等通信系統(tǒng)時,上述兩種通信模式的總線利用率和實時性都相對較低。在模擬器材通信中,經(jīng)常會遇到各節(jié)點不定期、多批次主動發(fā)起通信的情況,在應(yīng)用RS-485網(wǎng)絡(luò)時顯得較為不便。為此,需要研究一種基于RS-485總線的通信方法,并在模擬訓練中得到應(yīng)用,以取得良好效果。

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            RS-485 的主要功能是將來自微控制器(MCU)的發(fā)送信號TX通過“發(fā)送器”轉(zhuǎn)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“接收器”轉(zhuǎn)換成MCU接收的RX信號。任一時刻,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(jié)。


            如圖1所示為我們設(shè)計的RS-485總線接口電路,核心芯片為SP3485,該芯片為+3.3V低功耗半雙工收發(fā)器,滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議的要求,數(shù)據(jù)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,同時兼容工業(yè)標準規(guī)范。SP3485發(fā)送器的輸出是差分輸出,空載時輸出電壓的大小為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(nèi)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(tǒng)之間存在大的零電位偏差。SP3485接收器還具有故障自動保護(fail-safe)特性,可在輸入懸空時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(nèi)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RXD(即485_RX引腳)連接SP3485芯片的RO引腳,通過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,發(fā)送器工作,接收器失效,此時MCU可向RS-485 總線發(fā)送數(shù)據(jù);485_DIR信號為“0”時,發(fā)送器失效,接收器工作,此時MCU可以接收來自RS-485 總線的數(shù)據(jù)。

            為保證電路工作穩(wěn)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(shù)據(jù)時能保證RS485總線處于確定狀態(tài),為總線提供網(wǎng)絡(luò)失效保護,以提高RS-485節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

            電阻R5為備用設(shè)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總線在組網(wǎng)時,位于網(wǎng)絡(luò)兩端的節(jié)點需要增加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(diào)整節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置,我們還為終端電阻設(shè)計了選擇跳線JP1。

          2 組網(wǎng)方式

            RS-485總線組網(wǎng)方式如圖2所示,所有RS-485節(jié)點全部掛在一對RS-485總線上。注意RS-485總線不能夠開叉、但是可以轉(zhuǎn)彎。RS-485網(wǎng)絡(luò)采用直線拓樸結(jié)構(gòu),需要安裝2個終端匹配電阻。終端匹配電阻安裝在RS-485 傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個端點,并聯(lián)連接在A-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的阻抗連續(xù),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(shù)據(jù)傳輸時可不需終端匹配電阻。

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            穩(wěn)定可靠的通信不僅依賴硬件環(huán)境,對也有很高的要求。為了解決RS-485總線多主機通信的問題,需要對RS-485通信協(xié)議進行研究。

          3.1 幀結(jié)構(gòu)

            設(shè)定起始符為字符’$’。考慮到便于報文接收,起始符應(yīng)與設(shè)備地址不同。目的節(jié)點、源節(jié)點均為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備節(jié)點地址,取值為1~32。幀長度是從起始符到結(jié)束符的字符長度,取值為7~255。結(jié)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,前兩者處理相對簡單,節(jié)省運算時間,但存在漏檢的可能,后者處理相對復雜,需要一定的運算時間,但可靠性優(yōu)于前面兩種方法。在具體應(yīng)用時,可根據(jù)需要自行選擇。本文幀校驗方法為從目的地址開始,到數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)為止,各字節(jié)依次異或,最后得到的數(shù)值即為幀校驗值,如果接收方發(fā)現(xiàn)校驗錯誤則應(yīng)要求發(fā)送方重發(fā)。

            值得注意的是,對于起始符、結(jié)束符與數(shù)據(jù)幀內(nèi)容重疊時的處理,采用數(shù)據(jù)字節(jié)前插入0xFF的辦法加以識別。例如,要發(fā)送的數(shù)據(jù)為0X24,與結(jié)束符重疊,則在報文中應(yīng)寫為0xFF 0x24。

          3.2 通信過程

          3.2.1 發(fā)送方工作流程

            RS-485總線采用半雙工工作方式,全網(wǎng)在同一時刻只能有一個設(shè)備在發(fā)送報文(扮演主機),此時其它設(shè)備處在接收狀態(tài)(扮演從機)。基于對可靠性的考慮,采取如圖3所示通信流程。

            具體解釋如下:F_BUSY為總線忙標志,取值為“1”時表示“總線忙”,N為發(fā)送報文后對方無應(yīng)答時報文的重傳次數(shù),M為接收到的報文出現(xiàn)FCS錯誤時的重傳次數(shù)。當系統(tǒng)初始化時,每個節(jié)點的F_BUSY均為0,即總線空閑, N、M均為0。

            發(fā)送方的工作流程如下:

            總線的申請和釋放均由通信的發(fā)起方完成。

            步驟一:申請總線。發(fā)送報文前先進行“忙”檢測,當F_BUSY為“0”時發(fā)送“申請總線”報文,通知全網(wǎng)節(jié)點即將占用總線,并開啟計時器,無關(guān)節(jié)點收到該報文后將F_BUSY置為1,并禁止本地發(fā)送報文,目的節(jié)點收到后發(fā)送“確認可用”報文。當F_BUSY為“1”或計時已到卻未收到“確認可用”報文,則隨機延時后重新申請總線。

            步驟二:發(fā)送報文。

            步驟三:等待應(yīng)答。發(fā)送報文后,啟動計時器,等待對方的接收應(yīng)答,如在規(guī)定時間內(nèi)未收到對方應(yīng)答,則進行報文重傳,并將重傳次數(shù)N加1。如果重傳已達三次,則認為網(wǎng)絡(luò)斷開,釋放總線,結(jié)束通信。

            步驟四:出錯重傳。如果對方應(yīng)答幀內(nèi)容為“FCS錯誤”報文,則進行報文重傳,并把M加1。如果重傳已達三次,則認為網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,釋放總線,結(jié)束通信。

            步驟五:釋放總線。報文發(fā)送流程結(jié)束后,該節(jié)點發(fā)出“釋放總線”報文,各節(jié)點將F_BUSY置為0,總線恢復空閑狀態(tài)。

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


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



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