嵌入式系統應用中實現RS485的方向切換

吳麗萍，戈志明

（蘇州工業園區職業技術學院，蘇州 215123）

吳麗萍（講師），主要研究方向為自動控制系統；戈志明（工程師），主要研究方向為嵌入式系統、軟件測試。

引 言

RS485總線是工業應用中非常成熟的技術，是現代通信技術的工業標準之一。RS485總線用于多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實現，采用平衡發送和差分接收，即在發送端驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出，在接收端接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。根據RS－485標準，傳送數據速率達100kb／s時通信距離可達1200m［1］。

RS485在嵌入式系統中的應用非常廣泛。嵌入式系統可以通過RS485接口來控制終端設備。由于RS485是半雙工模式，因此發送和接收的方向切換需要我們的關注和研究。如果方向切換方式選擇不好可能會導致RS485驅動能力下降、軟件執行效率下降，甚至導致系統異常等問題［2］。

本文分別給出硬件實現RS485方向切換和軟件實現RS485方向切換兩種方式。兩種方式各有優點，硬件方式控制起來比較簡單。軟件方式的驅動能力更好，但是和嵌入式平臺關系比較密切，不同的平臺都需要調試和驗證。

1 硬件方式控制RS485方向

圖1所示為硬件控制RS485的電路圖。電路中使用2N7002LT1GMOS場效晶體管把UART＿TXD＿485這個MCU輸出的RS485發送信號邏輯取反后送給RS485芯片的RE／DE PIN腳。控制的原理是，當UART＿TXD＿485輸出低電平時RS485芯片的DE使能；輸出高電平時RE使能。默認情況下 UART＿TXD＿485是高電平，RS485芯片處于接收狀態。發送數據時，UART＿TXD＿485上面有高低電平信號變化，低電平信號通過RS485芯片SP3072EEN－L／TR直接輸出，高電平信號通過外部上下拉電阻來控制［3］。

這種方法的優點是控制簡單，軟件不需要做額外的工作，控制RS485像控制RS232一樣。但是這種方法的缺點是驅動能力可能不足，由于這種控制方法沒有完全發揮出RS485驅動芯片自身的驅動能力，輸出信號依賴于外部上下拉電阻，因此在復雜環境下，譬如很多負載需要控制時，就會存在驅動能力不足的問題。但是在一些簡單的環境或者軟件實現較復雜的平臺下，使用這種方法還是切實可行的。

圖1 硬件控制RS485電路圖

2 軟件方式控制RS485方向

2.1 驅動能力分析

在復雜的RS485控制環境下，用上面介紹的硬件方式來控制RS485的方向會存在比較突出的驅動能力不足的問題［4］。修改上述控制方法，將TTL這一側的2線控制改為3線控制，就是將收發控制信號不用當前的／TXD來控制，而從主控分出一根GPIO線來控制收發。

按照輸出電流計算，3線控制方式相對用2線控制的總線上下拉作為輸出的方式，其驅動能力提高了25～50倍（不同廠家不同型號有差異），如果輔以終端電阻靈活配置的措施，RS485的驅動能力將完全不是問題。表1是兩種控制方式驅動能力的對比。

2.2 軟硬件環境

軟件控制方法采用圖2的硬件設計，圖中很突出的修改是使用MCU的GPIO來控制RE和DE。RS485芯片的供電采用5V供電，提高驅動能力。RS485芯片的RE和DE控制使用MCU的GPIO輸出高低電平來控制。簡單來說就是，在RS485進行數據傳輸時，通過GPIO來控制傳輸方向。這里采用的MCU是TI公司的DM8168處理器來實現軟件的RS485切換功能。軟件版本使用UBoot－2010.06和linux－2.6.37。用軟件來實現 RS485的收發，盡量要保證執行效率；要達到上面的目的就需要對串口驅動進行調試，使用串口驅動用到的軟件資源和串口控制器本身的硬件資源來實現RS485的控制。

圖2 軟件控制方法中的硬件設計

表1 軟件和硬件控制方式驅動能力的對比

2.3 U－Boot代碼修改

需要修改的文件：

其中UART＿LSR＿TEMT表示發送BUF和移位寄存器為空。默認情況下RS485是接收狀態，一旦要發送數據，就把RS485切換為發送狀態。發送完數據后，等待發送BUF和移位寄存器為空，然后切換回接收狀態，這里無需使用timeout。

2.4 Linux代碼修改

需要修改的文件：

①arch／arm／mach－omap2／bord－ti8168evm.c

② drivers／serial／omap－serial.c

③include／linux／serial＿core.h

serial＿core.h文件，uart＿port結構體中增加set＿rs485＿direction函數指針，用于執行RS485的方向切換void（＊set＿rs485＿direction）（int rs485＿dir）；原本考慮在uart＿ops結構體中增加的，但是這個結構體是常量類型，對它不作改動，因此加到了uart＿port結構體中。在該文件中添加相關宏定義和函數指針類型用于函數注冊：

omap－serial.c文件主要做了如下幾點改動：

① 添加omap＿rs485＿dir＿fun全局的函數指針。static set＿rs485＿direction＿t omap＿rs485＿dir＿fun［OMAP＿MAX＿HSUART＿PORTS］＝ ｛NULL，NULL，NULL，NULL，NULL，NULL｝

② 外部驅動利用omap＿rs485＿dir＿fun＿reg注冊函數對omap＿rs485＿dir＿fun進行賦值。

④ 默認情況下RS485處于接收狀態。

⑤serial＿omap＿enable＿ier＿thri函數中把 RS485切換為發送狀態。

⑦transmit＿chars更改一下，原先的代碼是當沒有更多的字符要發送（環形緩沖為空）時需要關閉發送中斷，這時串口控制器發送BUF和移位寄存器中還是有數據的，這些數據串口控制器自動發送完成后才算結束，由于已經關閉了發送中斷，因此發送結束后就沒有中斷產生了。但是RS485切換方向需要等到完全發送完成后才能進行。因此對transmit＿chars函數做了修改。調用serial＿omap＿stop＿tx函數前判斷發送BUF和移位寄存器是否為空，如果為空就可以切換方向了。簡而言之，延后了發送中斷的關閉時間。

⑧arch／arm／mach－omap2／board－ti8168evm.c文件在ti8168＿evm＿init函數中調用omap＿rs485＿dir＿fun＿reg函數注冊RS485切換函數。

2.5 實驗結果分析

上述軟件修改有如下幾個優點：不增加硬件開銷；不增加和使用任何硬件資源；不增加軟件開銷；不影響軟件執行效率；硬件控制是電信號控制，方向切換和TX綁定；軟件控制是整個發送緩沖區完成發送后再進行方向切換，控制實現上更加合理。

對軟件切換RS485做了基本的測試，情況如下：

①控制臺操作。整個啟動打印信息正常。U－Boot和Kernel下控制效果和硬件控制一樣，可以很流暢地進行命令的輸入和回顯，串口終端增加輸入字符間的延時后可以進行配置的粘貼。內核在115 200和38 400下分別進行測試OK。

②內核下加大負責進行大數據量的發送。增加負載，開多個ping包進程（產生大量中斷）、Nand Flash的操作、CPU占有率接近100%條件下，通過RS485輸出大量數據，沒有亂碼，校驗OK。

③ 極高的實時性。由于本文給出的軟件實現方式是基于Linux內核實現的，因此很好地保證了方向控制的實時性。實際結果顯示，DM8168數據發送完成到產生方向控制信號之間的時間在25μs左右，幾乎可以忽略不計。而有些設計在用戶空間使用應用程序進行方向切換的方法會導致20ms以上的延時，導致了一系列異常問題的產生。

結 語

本文詳細描述了RS485方向控制的硬件和軟件兩種實現方式。兩種控制方式各有特點，硬件控制方式實現簡單，不需要軟件干預，對軟件而言RS485串口收發就像RS232一樣簡單。軟件控制方式可以極大地提高整個RS485線路的驅動能力，本文給出的基于Linux內核的控制方法又很好地保證了RS485方向切換的實時性，滿足了實用性要求。這兩種方式在很多場合已經得到了很好的應用和驗證。特別是軟件實現方式，可以擴展到更多的應用場合，譬如復雜的多主、多從的RS485使用環境，軟件控制可以根據自己的需求來實現整個RS485線路不同的數據流向，可以規避某個設備對RS485鏈路上異常信號的干擾，給實際應用帶來了很多的便利性。

［1］TI.RS－422and RS－485Standards Overview and System Configurations，2010.

［2］TI.GPIO User′s Guide，2011.

［3］魏永明，耿岳，鐘書毅.LINUX設備驅動程序［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［4］劉剛，趙建川.LINUX系統移植［M］.北京：清華大學出版社，2011.