基于RS-485總線的多主機(jī)通信方法

摘要：針對RS-485總線多個節(jié)點(diǎn)之間無法自由通信的問題，介紹一種多主機(jī)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(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了預(yù)期的效果。

引言

　　RS-485接口以其結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)場總線中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的RS-485總線要求在同一時刻只能有一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，為此多采用一主多從方式或分時復(fù)用方式。一主多從方式，即網(wǎng)絡(luò)中有一個主節(jié)點(diǎn)和若干個從節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)輪詢各個從節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分時復(fù)用方式，即總線控制權(quán)分時交由各個節(jié)點(diǎn)使用，各節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先分配的時間段發(fā)起通信。遇到節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送實(shí)時要求高，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不確定，且各個節(jié)點(diǎn)通信負(fù)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(shí)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(diǎn)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總線的多主機(jī)通信方法，并在模擬訓(xùn)練中得到應(yīng)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(hù)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(dá)10Mbps(帶負(fù)載)，與Sipex的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(hù)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(hù)(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(dá)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(dāng)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(hù)，以提高RS-485節(jié)點(diǎn)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(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(diào)整節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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。

3 多主機(jī)通信協(xié)議

　　穩(wěn)定可靠的通信不僅依賴硬件環(huán)境，對通信協(xié)議也有很高的要求。為了解決RS-485總線多主機(jī)通信的問題，需要對RS-485通信協(xié)議進(jìn)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(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)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(yàn)(FCS)通?？刹捎闷媾夹ｒ?yàn)、和校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等方法，前兩者處理相對簡單，節(jié)省運(yùn)算時間，但存在漏檢的可能，后者處理相對復(fù)雜，需要一定的運(yùn)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(yàn)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(yàn)值，如果接收方發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)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(jī))，此時其它設(shè)備處在接收狀態(tài)(扮演從機(jī))?；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為總線忙標(biāo)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(dāng)系統(tǒng)初始化時，每個節(jié)點(diǎn)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(jìn)行“忙”檢測，當(dāng)F_BUSY為“0”時發(fā)送“申請總線”報文，通知全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)即將占用總線，并開啟計時器，無關(guān)節(jié)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(jié)點(diǎn)收到后發(fā)送“確認(rèn)可用”報文。當(dāng)F_BUSY為“1”或計時已到卻未收到“確認(rèn)可用”報文，則隨機(jī)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(jìn)行報文重傳，并將重傳次數(shù)N加1。如果重傳已達(dá)三次，則認(rèn)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(jìn)行報文重傳，并把M加1。如果重傳已達(dá)三次，則認(rèn)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(diǎn)發(fā)出“釋放總線”報文，各節(jié)點(diǎn)將F_BUSY置為0，總線恢復(fù)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(diǎn)數(shù)量有限，碰撞幾率較低的考慮。為增強(qiáng)報文的可靠性，須進(jìn)行幀校驗(yàn)處理。在等待應(yīng)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)，針對對方無應(yīng)答或報文幀校驗(yàn)錯誤的情況采用了有限次重傳的機(jī)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。