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一種實(shí)現(xiàn)載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入／沖突檢測(cè)的多主RS485總線
摘要：提出了一種附加硬件設(shè)備，配合軟件實(shí)現(xiàn)了RS485總線上的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/沖突檢測(cè)協(xié)議。滿足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。關(guān)鍵詞：RS485總線半雙工載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/沖突檢測(cè)
智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，成為工業(yè)控制的主流。目前國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線和相應(yīng)的通信協(xié)議，但是其系統(tǒng)造價(jià)對(duì)于許多中小型應(yīng)用仍顯過高。而RS485總線以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、可選芯片多、便于維護(hù)等特點(diǎn)在眾多工業(yè)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
1RS485總線及現(xiàn)有工作方式的特點(diǎn)
RS485總線以雙絞線為物理介質(zhì)，工作在半雙工的通信狀態(tài)下[1],即同一時(shí)刻，總線上只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)而處于發(fā)送狀態(tài)，其他所有節(jié)點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)。如果同一時(shí)刻有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，將導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，即所謂總線沖突。為了避免總線沖突，RS485總線具有以下特點(diǎn)：
以工作模式來說，一般的RS485總線工作在主從模式下。整個(gè)通信總線系統(tǒng)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成，由主節(jié)點(diǎn)不斷地輪流查詢從節(jié)點(diǎn)是否有通信需求。如果有則將總線控制權(quán)交給某一從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后立刻交還總線控制權(quán)。另外還有一種“輪主輪從”的工作方式，即讓總線控制權(quán)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間以類似令牌環(huán)的方式傳遞[3],得到控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)成為從節(jié)點(diǎn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)的同時(shí)，將總線控制權(quán)交給相鄰的節(jié)點(diǎn)，而這個(gè)節(jié)點(diǎn)在處理完本節(jié)點(diǎn)的通信需求后再把控制權(quán)向下傳遞。令牌環(huán)式的RS485工作方式如圖1所示。
從通信節(jié)點(diǎn)來講，RS485總線上的節(jié)點(diǎn)必須具備將自己的驅(qū)動(dòng)器切換到高阻態(tài)的功能？眼1?演，以便在發(fā)送完數(shù)據(jù)后不會(huì)對(duì)總線狀態(tài)造成影響。這種驅(qū)動(dòng)器實(shí)行發(fā)送態(tài)—高阻態(tài)切換的一個(gè)影響是？押從發(fā)送數(shù)據(jù)完畢到設(shè)備切換為高阻態(tài)，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換延遲。這個(gè)轉(zhuǎn)換延遲是2線制通信中一個(gè)很重要的參數(shù)。這個(gè)時(shí)間不能太短，否則發(fā)出的字符的最后一部分因?yàn)樯形丛诳偩�上建立起來而導(dǎo)致丟失。同時(shí)這個(gè)時(shí)間也不能太長(zhǎng)，否則在發(fā)送端還未轉(zhuǎn)為高阻態(tài)時(shí)其他設(shè)備已經(jīng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致總線沖突。因此2線制RS485總線上的主設(shè)備必須知道所有從設(shè)備的反應(yīng)時(shí)間，并保證在從設(shè)備反應(yīng)之前把驅(qū)動(dòng)器設(shè)為高阻態(tài)，以接收從設(shè)備的數(shù)據(jù)。常用設(shè)備的轉(zhuǎn)換延遲是當(dāng)前波特率發(fā)送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間。
以上為適應(yīng)RS485總線的特殊之處而采用的工作方式也引入了一些不足。首先，上面提到的兩種總線工作方式在很多對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的工業(yè)控制場(chǎng)合有較大的局限性。主要原因是主從式總線的從節(jié)點(diǎn)無發(fā)起通信的權(quán)利，相互之間的通信需要通過主節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)。而“輪主輪從”總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)由于等待總線控制權(quán)的時(shí)間未知，實(shí)時(shí)性也無法保證。同時(shí)，如果主從式的主節(jié)點(diǎn)或者是“輪主輪從”式的獲取令牌的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)總線的工作將癱瘓，風(fēng)險(xiǎn)過于集中。其次，對(duì)驅(qū)動(dòng)器實(shí)行“發(fā)送態(tài)—高阻態(tài)”切換以及考慮切換延遲等要求使編程變得復(fù)雜。在上電瞬間、CPU損壞或者是程序跑飛的情況下，還需要考慮復(fù)雜的故障保護(hù)等問題[2],否則將容易引起總線故障。
2RS485總線上CSMA/CD的實(shí)現(xiàn)
為了解決各個(gè)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)獲取總線控制權(quán)的問題，人們想到了利用監(jiān)聽總線狀態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)總線控制權(quán)的本地判斷和獲取，也就是CSMA/CD協(xié)議實(shí)際上做的工作[3].即所有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前監(jiān)聽總線上是否有其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，就暫時(shí)不發(fā)送。另外在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，邊發(fā)送邊監(jiān)聽，如果監(jiān)聽到?jīng)_突則沖突雙方都停止發(fā)送。這樣做，既能保證每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有發(fā)起通信的權(quán)利，又能盡量減少發(fā)生總線沖突的機(jī)會(huì)，提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。
已有的一種實(shí)現(xiàn)方法[4]是將總線接收器的輸出端反相后接到CPU的外部中斷管腳，如圖2所示。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)聽自己發(fā)送數(shù)據(jù)的辦法判斷是否發(fā)生總線沖突。該方法解決了總線控制權(quán)分配的時(shí)延問題，但是需要使用至少4個(gè)管腳（INT0、RXD、TXD、驅(qū)動(dòng)器使能管腳），并且占用外部中斷和內(nèi)部定時(shí)器中斷，需要利用軟件監(jiān)聽發(fā)送的數(shù)據(jù)避免總線沖突。系統(tǒng)資源耗費(fèi)較多，編程復(fù)雜，在一些場(chǎng)合的應(yīng)用也有局限性。本文在以上方法的基礎(chǔ)上提出了一種利用硬件監(jiān)聽總線狀態(tài)的方法，真正實(shí)現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議。同時(shí)減少了系統(tǒng)資源的占用率，簡(jiǎn)化了總線沖突的判斷。另外實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的無延遲自動(dòng)切換，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并且大大提高了通信的實(shí)時(shí)性，特別適合實(shí)時(shí)分布式控制的場(chǎng)合。
2.1系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)由總線狀態(tài)判斷邏輯、驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)切換邏輯兩部分組成，如圖3所示。系統(tǒng)資源只占用CPU的3個(gè)管腳：RXD、TXD、總線狀態(tài)指示腳，不占用任何中斷。在軟件實(shí)現(xiàn)方面由于采用了硬件判斷總線狀態(tài)而變得非常簡(jiǎn)單，只需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的232通信程序做微小修改即可。
2.2總線狀態(tài)判斷邏輯
該電路由雙RS485總線接收器構(gòu)成，兩個(gè)接收器的輸出相與后得到總線狀態(tài)信號(hào)。偏置電阻網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱形式使得在總線沒有被驅(qū)動(dòng)的情況下，兩條總線的電平相等�？偩�狀態(tài)判斷邏輯如圖4所示。由于接收器的兩個(gè)接入點(diǎn)電平不同，所以當(dāng)總線處于高阻狀態(tài)或者總線被短路時(shí)，兩個(gè)接收器都是高電平輸出，總線狀態(tài)為高電平。因?yàn)锳、B線通過6.8kΩ電阻分別接入兩個(gè)接收器的不同接收端，所以當(dāng)總線出現(xiàn)任何一個(gè)確定的邏輯狀態(tài)時(shí)，都將引起其中一個(gè)接收器的輸出變?yōu)榈碗娖�，這樣總線狀態(tài)就變?yōu)榈碗娖�，表明總線被占用。經(jīng)過理論計(jì)算和EWB仿真，該網(wǎng)絡(luò)從A、B點(diǎn)看接入阻抗為12.2kΩ，恰好滿足RS485協(xié)議的接收器輸入阻抗要求。
2.3驅(qū)動(dòng)器無延遲自動(dòng)切換邏輯
為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的無延遲自動(dòng)切換，TXD信號(hào)反相后接到驅(qū)動(dòng)器使能，而驅(qū)動(dòng)器輸入直接接地，如圖5所示。這樣處理使驅(qū)動(dòng)器只在數(shù)據(jù)為0時(shí)打開，把數(shù)據(jù)0發(fā)出去。而當(dāng)數(shù)據(jù)為1或者無數(shù)據(jù)時(shí)立刻關(guān)閉，縮短了切換時(shí)間。但是這樣做，使得數(shù)據(jù)1無法被正常發(fā)送出去。為使串行數(shù)據(jù)能被正確地接收，有兩個(gè)辦法產(chǎn)生數(shù)據(jù)中的1.第一個(gè)辦法，使用總線判斷電路中的正向接收器的輸出端？穴OUT+?雪作為RXD信號(hào)，該信號(hào)在總線空閑、開路和短路時(shí)輸出邏輯1,并且與RXD信號(hào)同相。第二個(gè)辦法，使用類似MAX3080自帶故障保護(hù)（fail-safe）功能的芯片作為接收器。MAX3080將接收器的觸發(fā)門限電壓從-200mv——+200mv調(diào)整為-200mv——-50mv,也能夠在總線空閑、開路和短路時(shí)輸出邏輯1.如果總線上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用這些方法，那么所有節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器無延遲自動(dòng)切換而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)中的1不能被正確接收。
2.4軟件的實(shí)現(xiàn)
發(fā)送數(shù)據(jù)方面，只需將標(biāo)準(zhǔn)串口函數(shù)putc（）封裝成一個(gè)函數(shù)RS485PutString（）發(fā)送數(shù)據(jù)即可。在RS485PutString（）函數(shù)中，能夠方便地實(shí)現(xiàn)各種總線狀態(tài)判斷策略，甚至是CSMA/CD協(xié)議，實(shí)現(xiàn)載波監(jiān)聽，邊發(fā)送邊監(jiān)聽。也可以在此函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行諸如定義不同數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)性級(jí)別、定義總線超時(shí)判斷等高級(jí)編程。
該函數(shù)的主要流程如圖6.
判斷總線狀態(tài)就是簡(jiǎn)單地讀取總線狀態(tài)判斷電路的輸出，高為空閑，低為總線已被占用。為了減少誤判，通常在判斷總線狀態(tài)為空閑后還要繼續(xù)判斷一段時(shí)間，具體的總線狀態(tài)判斷策略要根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行調(diào)整。
如果判斷總線空閑，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。在發(fā)送過程中可以方便地繼續(xù)讀取總線狀態(tài)以進(jìn)行邊發(fā)送邊監(jiān)聽的沖突檢測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)沖突發(fā)生，發(fā)送方放棄本次數(shù)據(jù)傳輸而轉(zhuǎn)入強(qiáng)化沖突流程（繼續(xù)發(fā)送幾個(gè)0x00以使各方都確認(rèn)發(fā)生了總線沖突），然后再進(jìn)入總線偵聽流程。以往的RS485總線沖突檢測(cè)處理機(jī)制是通過對(duì)自己所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽接收，然后比較接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)是否相符，判斷是否發(fā)生總線沖突，在軟件實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜。而本系統(tǒng)的沖突檢測(cè)非常簡(jiǎn)單：發(fā)送完一個(gè)字節(jié)就讀取一次總線狀態(tài)指示管腳的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)總線被占用，就是發(fā)生了總線沖突。
接收程序方面，因?yàn)榻邮掌鞒ｉ_，所以仍然可以使用串行接收器的中斷服務(wù)程序，將接收到的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，然后由命令解釋程序處理接收到的命令。本質(zhì)上與RS232的串口通信程序完全一樣，只是如果接收器是常開的話，在自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要記住將串行接收器中斷關(guān)閉，發(fā)送完畢后再打開，以避免運(yùn)行不必要的中斷服務(wù)程序。
另外，還可以結(jié)合驅(qū)動(dòng)器和總線狀態(tài)判斷邏輯對(duì)總線進(jìn)行開路和短路的檢測(cè)/報(bào)警。具體說就是某一個(gè)節(jié)點(diǎn)使能總線驅(qū)動(dòng)器，然后判斷總線狀態(tài)，如果仍然顯示總線空閑，說明總線短路或者總線到總線狀態(tài)判斷邏輯之間開路了。
2.5存在的不足之處
該方法中的總線狀態(tài)判斷邏輯對(duì)邏輯0狀態(tài)的要求比較高，需要B線電平比A線高約1.1V才能得到低電平。如果采用總線判斷電路中的正向接收器的輸出端（OUT+）作為RXD信號(hào)，就會(huì)因?yàn)閷?duì)邏輯0的要求而不滿足RS485的-200mV門限電平標(biāo)準(zhǔn)。若采用另一個(gè)具有故障保護(hù)功能的接收器并聯(lián)的話，固然能滿足-200mV門限電平標(biāo)準(zhǔn)，但整個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入阻抗將降低到6kΩ。
以上不足之處都在于無法完全滿足標(biāo)準(zhǔn)RS485總線標(biāo)準(zhǔn)，但在特定條件下是不會(huì)影響工作效果的。例如阻抗雖然
降低了，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過16時(shí)，是能夠很好地工作的。
實(shí)驗(yàn)表明，這種實(shí)現(xiàn)了CSMA/CD的多主式RS485總線工作穩(wěn)定，可靠性高，大大提高了實(shí)時(shí)性。特別適合于強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的分布式控制系統(tǒng)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的控制信息實(shí)時(shí)交換。
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