基于CORTEX-M3的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：系統(tǒng)以STM32F103作主控單元，使用RS485通信總線，制定了一套通信協(xié)議，從軟件角度保證了總線仲裁機(jī)制的完整，保證了測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)論述過程中，根據(jù)RS485通信總線的特點(diǎn)，論述了系統(tǒng)中多機(jī)通信設(shè)計(jì)的原理及過程，結(jié)合在系統(tǒng)調(diào)試過程中遇到的問題，提出了在使用RS485過程中的注意事項(xiàng)。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控設(shè)備逐漸智能化。企業(yè)信息化需求在設(shè)備選型時(shí)一個(gè)必要條件就是設(shè)備要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。RS232接口能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，且遠(yuǎn)距離傳輸性能抗干擾性差。RS485接口解決了此問題，其數(shù)據(jù)傳輸最高速率可達(dá)到10 Mbps，且接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強(qiáng)，抗噪性好，適合于遠(yuǎn)距離傳輸。RS485總線最大可以支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過特制芯片，最大可以支持400個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，RS485非常適合于分布式測(cè)控系統(tǒng)通信領(lǐng)域。但RS485只能代表通信的物理介質(zhì)，數(shù)據(jù)的傳輸訪問必須開發(fā)相應(yīng)的程序。

CORTEX—M3是基于ARM7架構(gòu)的處理器內(nèi)核，采用哈佛架構(gòu)，其功耗低，性價(jià)比高。在多機(jī)通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)過需求分析，提出并設(shè)計(jì)了一種基于CORTEX—M3的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)中，CORTEX—M3用做系統(tǒng)終端，作為主機(jī)和從機(jī)。從機(jī)負(fù)責(zé)前端系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)測(cè)量，主機(jī)作為控制端，負(fù)責(zé)各從機(jī)測(cè)量信息的采集，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)的控制。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸接口采用RS485，根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中自制了RS485多機(jī)通信協(xié)議，開發(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(nèi)核的通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)通信性能良好，無數(shù)據(jù)丟失及網(wǎng)絡(luò)死鎖現(xiàn)象。

1 RS485介紹

RS-485標(biāo)準(zhǔn)是為彌補(bǔ)RS-232通信距離短、遠(yuǎn)距離通信的抗干擾性能差等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為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(fù)邏輯狀態(tài)。對(duì)于RS485接收端，當(dāng)在A、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(fù)邏輯電平，如圖3所示。圖1中RS-485器件中有一個(gè)信號(hào)地，一般，各器件信號(hào)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(hào)端，用于控制RS485是作為發(fā)送端還是作為接收端。當(dāng)使能端為高電平時(shí)，作為發(fā)送端，當(dāng)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(shè)計(jì)總線仲裁中，通過“使能”信號(hào)控制。

2 RS485在系統(tǒng)中的應(yīng)用

RS485多機(jī)通信中，各器件中的A點(diǎn)連接在一起，B點(diǎn)連接在一起，通過雙絞線連接，所有RS485節(jié)點(diǎn)掛接在一對(duì)RS485總線上。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(tái)RS485接口設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，否則，總線上的數(shù)據(jù)會(huì)混亂;此外，由于RS485缺乏硬件仲裁機(jī)制，通信中，無法通過硬件仲裁來釋放及占有總線，在多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，可以從軟件角度考慮總線仲裁。而RS485標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定應(yīng)用層通信協(xié)議，在軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總線仲裁中，可以根據(jù)系統(tǒng)特性及功能，制定相應(yīng)的應(yīng)用通信層協(xié)議。

1)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由主控機(jī)(M0)、從機(jī)(S1、S2……)構(gòu)成，均為嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，內(nèi)核為CORTEX—M3。本系統(tǒng)中所有的RS485終端設(shè)備為嵌入式設(shè)備，終端設(shè)備接口一致，直接通過雙絞線連接。

主機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)控系統(tǒng)的信息采集?？刂菩畔l(fā)送;各從機(jī)負(fù)責(zé)及完成各種信息的測(cè)量及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將測(cè)控信息發(fā)送給主機(jī)。系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分支節(jié)點(diǎn)故障查找方便，由于接口簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性良好，中心節(jié)點(diǎn)通信軟件協(xié)議較復(fù)雜，而各分支節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議較簡(jiǎn)單。

2)RS485通信協(xié)議總線設(shè)計(jì)

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)主要包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層：

物理層實(shí)現(xiàn)以下功能：

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)鏈路層送來的數(shù)據(jù)按字節(jié)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，增加起始位、奇偶校驗(yàn)位及停止位，然后將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送到物理信道上;接收數(shù)據(jù)時(shí)，從物理信道串行接收電平信號(hào)，然后進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、奇偶校驗(yàn)、串并轉(zhuǎn)換，得到所接收的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)以下功能：

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和應(yīng)用層之間，為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要包括幀格式設(shè)計(jì)、傳輸速率設(shè)置、幀收發(fā)程序、字符串收發(fā)程序。

①串口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

STM32F103串口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)調(diào)用系統(tǒng)庫函數(shù)，省去了很多底層函數(shù)的編寫。幀格式設(shè)計(jì)、傳輸速率設(shè)置通過結(jié)構(gòu)體InitType DefInit StruCture結(jié)構(gòu)體賦并初始化完成;幀的發(fā)送及接收已有庫函數(shù)USART_ReceiveData(USART_TypeDef*USARTx)及USART_SendData(USART_Type Def*USARTx，uint16_tData)，通過這兩個(gè)函數(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)字符串的收和發(fā)程序，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。

在串口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，需要注意的是：在接收及發(fā)送幀數(shù)據(jù)時(shí)，使能端的電平設(shè)置，因此收發(fā)程序不能直接使用stm32f中的庫函數(shù)。據(jù)此，在串口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)中，重新編寫了接收及發(fā)送字節(jié)函數(shù)。發(fā)送字節(jié)函數(shù)示例：

②通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)從機(jī)信息正確的接收，在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議：人為認(rèn)為每臺(tái)從機(jī)有地址編碼，例如，1號(hào)機(jī)地址為0x1，2號(hào)機(jī)地址為0x2，以此類推，此數(shù)據(jù)也代表了從機(jī)機(jī)號(hào)。從機(jī)全部作為接收端，等待接收命令。

第一步：所有從機(jī)處于接收等待狀態(tài);主機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)表示地址，從機(jī)接收并判斷是否為本機(jī)地址：是，則響應(yīng);否則，丟棄此幀數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待接收本機(jī)地址幀;

第二步：從機(jī)接收到本機(jī)地址幀后，發(fā)送一個(gè)握手應(yīng)答數(shù)據(jù)給主機(jī)。此時(shí)，從機(jī)作為發(fā)送端，主機(jī)作為接收端。主機(jī)發(fā)送完地址幀后隨即切換狀態(tài)并等待接收握手應(yīng)答數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到總線握手?jǐn)?shù)據(jù)后，主機(jī)判斷是不是所需要讀取的機(jī)號(hào)的握手通信數(shù)據(jù)：是，則通信成功，讀取從機(jī)發(fā)送信息;否則，重新開始地址發(fā)送;

第三步：從機(jī)發(fā)送總線握手信號(hào)后，隨即發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)。數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，恢復(fù)等待接受狀態(tài)。

整個(gè)通信過程中，所有從機(jī)通信協(xié)議全部一致，從機(jī)接受地址信息并判斷后，如果和本機(jī)地址相符，則發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)。

按照系統(tǒng)中制定的通信協(xié)議，主機(jī)和從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5一圖7所示。

從機(jī)作為測(cè)控前端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)控和數(shù)據(jù)傳送，其通訊受控于主機(jī)，因而從機(jī)接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，即從機(jī)一旦接收到主機(jī)的呼叫信號(hào)，立即進(jìn)入接收中斷與主機(jī)通信，其工作流程圖如圖6、7所示。

在整個(gè)系統(tǒng)中，主從機(jī)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(shè)計(jì)通信協(xié)議的時(shí)候，注意狀態(tài)的切換;另根據(jù)RS485狀態(tài)工作時(shí)序特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)好收發(fā)之間的延時(shí)，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)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(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再延時(shí)1 ms，使能端置“0”。這樣總線在狀態(tài)切換時(shí)，使之有一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)使用RS485半雙工收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了基于CORTEX—M3的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的組建，主機(jī)利用順序方式采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了一主多從的通訊方式。主從機(jī)通過狀態(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(diào)度，最終實(shí)現(xiàn)了星形網(wǎng)絡(luò)多機(jī)通信。本文設(shè)計(jì)的RS485通信協(xié)議可移植性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、易擴(kuò)展，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、現(xiàn)場(chǎng)總線、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。