一種提高RS485總線實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)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(tǒng)具有多主結(jié)構(gòu)，從而提高實(shí)時(shí)性，但是實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。提出一種基于協(xié)議的提高RS 485總線實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果表明該方案能有效提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

0 引言

RS 485 總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)控制、安全監(jiān)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(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致所有發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，即所謂的總線沖突。

為了避免總線沖突，整個(gè)RS 485 通信系統(tǒng)一般由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成。數(shù)據(jù)通信一般采用主節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的方式。各個(gè)從節(jié)點(diǎn)有自己的通信地址，只有主節(jié)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(jié)點(diǎn)才會(huì)進(jìn)行應(yīng)答，其他從節(jié)點(diǎn)則忽略此幀，不做任何處理。這種傳統(tǒng)的主從調(diào)度方式雖然不會(huì)引起總線沖突，但是也存在著一些局限性。從節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)必須等到主節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)到自身，系統(tǒng)的通信效率較低，總線的利用率也較低。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)在一個(gè)輪詢(xún)周期中只有一次發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，有實(shí)時(shí)性要求的信息得不到及時(shí)發(fā)送，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差。

為了提高RS 485 通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，目前國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了一些研究工作，大多采用對(duì)RS 485 進(jìn)行軟硬件改造使其具有多主結(jié)構(gòu)的方法，使得從節(jié)點(diǎn)能夠隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。提出的實(shí)現(xiàn)方法是將RS 485接口芯片的數(shù)據(jù)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上是否有數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)結(jié)合定時(shí)器中斷判斷總線是否空閑;如果總線空閑就獲得總線控制權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后用監(jiān)聽(tīng)自己發(fā)送數(shù)據(jù)的方法判斷是否發(fā)生總線沖突，如果發(fā)生沖突，則隨機(jī)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(duì)原設(shè)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(jī)退避算法，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，而且時(shí)間不可預(yù)計(jì)，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(duì)軟件作簡(jiǎn)單的修改就能升級(jí)RS 485 通信系統(tǒng)，提高從節(jié)點(diǎn)自主發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，從而提高系統(tǒng)的通信效率和實(shí)時(shí)性。

1 工作原理

通信系統(tǒng)仍舊采用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)每次在輪詢(xún)完一個(gè)從節(jié)點(diǎn)以后，留出一段空隙時(shí)間給從節(jié)點(diǎn)按需主動(dòng)上傳信息。從節(jié)點(diǎn)如果有實(shí)時(shí)性要求的信息需要上傳，除了在主節(jié)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(guī)定從節(jié)點(diǎn)在空隙上傳數(shù)據(jù)的先后順序，即上傳機(jī)會(huì)的獲取機(jī)制，一種方法是按優(yōu)先級(jí)分配時(shí)間片，從節(jié)點(diǎn)只能在獲取了規(guī)定的發(fā)送機(jī)會(huì)時(shí)利用空隙上傳數(shù)據(jù)。如果在一個(gè)空隙中，有多個(gè)從節(jié)點(diǎn)需要上傳數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)需要在等待屬于自己的發(fā)送機(jī)會(huì)時(shí)偵聽(tīng)總線的狀態(tài)，如果偵聽(tīng)到總線上已經(jīng)有其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸，則從節(jié)點(diǎn)必須放棄這次空隙上傳的機(jī)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(tǒng)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(shù)據(jù)位、1位校驗(yàn)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(jié)時(shí)間Tbyte ,波特率為baudrate ,則：

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設(shè)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的輪詢(xún)幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)master ,從節(jié)點(diǎn)回復(fù)的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度固定為L(zhǎng)slave ,從節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N ,假設(shè)所有從節(jié)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(shè)從節(jié)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，則響應(yīng)時(shí)間Tresponse′ 平均值為：

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

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采用新方法的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平均響應(yīng)時(shí)間更短，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更好。

由式(3)與式(6)可知，采用新方法的響應(yīng)時(shí)間在最差情況下比傳統(tǒng)輪詢(xún)方式的最差情況的響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，大約為其2倍。綜合上述分析，新方法與傳統(tǒng)方法的實(shí)時(shí)性由平均所需空隙次數(shù)x 決定，新方法適用于各從節(jié)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(xiàn)

與傳統(tǒng)輪詢(xún)方式相比，新方法的軟件實(shí)現(xiàn)的主要不同是從節(jié)點(diǎn)空隙時(shí)間的處理。其主要包括兩部分，一部分為總線狀態(tài)偵聽(tīng)，一部分為空隙中發(fā)送機(jī)會(huì)的獲取判斷，流程圖如圖1所示?？偩€狀態(tài)偵聽(tīng)的具體實(shí)現(xiàn)方法有許多種，可以使用串口中斷來(lái)偵測(cè)總線是否有數(shù)據(jù)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(jié)數(shù)據(jù)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，所以如果從節(jié)點(diǎn)在等待自己的時(shí)段時(shí)產(chǎn)生了串口接收中斷，則表明總線上有數(shù)據(jù)傳輸，總線為忙碌狀態(tài)。

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3 實(shí)驗(yàn)與分析

本文針對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：

1個(gè)主節(jié)點(diǎn)、16個(gè)從節(jié)點(diǎn)、波特率為1 200 b/s、從節(jié)點(diǎn)固定幀長(zhǎng)度。有實(shí)時(shí)性要求的緊急數(shù)據(jù)采用隨機(jī)產(chǎn)生的方式，產(chǎn)生的時(shí)間間隔為1~2 min.對(duì)每個(gè)從節(jié)點(diǎn)從緊急事件產(chǎn)生到獲取總線的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到緊急事件的響應(yīng)時(shí)間，持續(xù)運(yùn)行1 h,然后每個(gè)從節(jié)點(diǎn)對(duì)各自的所有響應(yīng)時(shí)間求平均值。從節(jié)點(diǎn)幀長(zhǎng)度為25 B的緊急事件平均響應(yīng)時(shí)間如圖2所示。其中，實(shí)線指示采用上述新方法的測(cè)試結(jié)果，虛線指示采用傳統(tǒng)輪詢(xún)方式的測(cè)試結(jié)果。由圖可見(jiàn)，采用新方法的所有從節(jié)點(diǎn)的平均響應(yīng)時(shí)間在500 ms以?xún)?nèi)，而采用傳統(tǒng)輪詢(xún)方法從節(jié)點(diǎn)平均響應(yīng)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(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

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從節(jié)點(diǎn)幀長(zhǎng)度為155 B 的緊急事件平均響應(yīng)時(shí)間如圖3所示，從圖中可以得到同樣的結(jié)論。

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4 結(jié)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(shè)計(jì)方案，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：在從節(jié)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(yīng)時(shí)間最大可以縮短為傳統(tǒng)輪詢(xún)方式響應(yīng)時(shí)間的1/N( N 為從節(jié)點(diǎn)數(shù)量)。該方案非常適用于像氣體數(shù)據(jù)采集這樣的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)變化緩慢、突變數(shù)據(jù)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(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的升級(jí)，簡(jiǎn)單實(shí)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。