一種改進型RS485總線設計

張 莉，鄔寶寅

（1.鄭州科技學院 機械工程學院，鄭州450064；2.新天科技股份有限公司，鄭州 450001）

在現代分布式現場控制系統發展過程中RS485總線起到了重要作用，成為現場智能儀表、PLC、工業PC之間最為通用的總線形式。RS485總線采用一對雙絞線通過差分信號以半雙工方式進行數據通信，具有較強的抗干擾性和較遠的傳輸距離，接口簡單成本低廉。RS485總線硬件可以由差分信號收發器和MCU自帶的UART構成，隨著各種類型MCU的廣泛應用，RS485的進一步發展也具備了豐富的條件。由于傳統RS485僅為一種傳輸方式并無標準應用協議，在不同應用前提下穩定性差異較大，有效傳輸速率較低，已經在不少場合被具有更高可靠性、更高速率和具備上層應用協議的現場總線所取代，如CAN，PROFIBUS等，故基于傳統RS485的發展條件和存在的問題，設計了更加穩定的硬件結構和具有豐富功能的應用協議，進行了硬件設計、協議設計、代碼編寫和仿真。

1 硬件設計

傳統RS485總線多機通信應用方式如圖1所示，帶有UART的設備通過差分信號收發器將TTL電平的串行數據轉為差分方式送入總線，差分收發器收發狀態可切換，總線上的各個設備以并聯的方式接入，在某一時刻只能有一個設備的差分收發器是發送狀態，其他設備均為接收狀態，所以必須通過某種合適的協議才能實現總線上任意設備之間的通信，否則將會造成總線沖突。

圖1 傳統RS485總線多級通信Fig.1 Multi level communication of traditional RS485 Bus

這種應用方式存在一些問題[1-4]：（1）總線上掛載的設備數量與通信波特率和傳輸距離之間相互限制。由于總線上處于發送狀態的設備需要驅動所有處于接收狀態的設備，而且總線較長時為了克服信號反射，需要在總線兩端增加假負載，假負載會進一步消耗差分發送器的驅動能力；（2）總線上每一個設備需要預設唯一地址，為了方便協議設計，甚至需要在每一個設備里預存總線上所有設備的地址。這2個問題限制了系統擴展和應用程序設計的靈活性。本文研究解決了這2個問題，并可以顯著降低誤碼率，提高通信可靠性。

改進型RS485總線結構如圖2所示，設備采用串聯型總線接入方式和帶總線中繼功能的結構來解決傳統RS485總線應用的不足。總線上每個接入設備需要具有2個差分接收器、2個差分發送器和具有1個UART結構的微控制器，差分接收器和發送器均帶有獨立的使能端，UART的輸出端在不使用時需要能夠配置為高阻或漏開狀態；其中1個差分接收器和1個差分發送器的差分信號端并聯在一起，2個差分接收器的TTL電平輸出端和2個差分發送器的TTL電平輸入端連接在一起，并與設備內的UART數據收發線連在一起；每個差分接收器和發送器的使能端分別與微控制器的GPIO口連接[5-6]。

圖2 改進型RS485總線結構Fig.2 Structure of improved RS485 Bus

2對差分接收器、發送器分別構成設備的2個總線接入口，這里定義為上行接口A和下行接口B。將圖2中從左至右的信號方向定義為下行方向，從右至左的信號方向定義為上行方向；總線設備通過接口A、B以串聯方式接入總線，即前方設備的接口B必須與后方設備的接口A連接。差分接收器和差分發送器共4個使能端，分別通過微控制器的4個 GPIO 口 C1、C2、C3、C4控制，當接收器的使能端為0時接收有效，發送器的使能端為1時發送有效。4個GPIO口共構成該設備的7種有效狀態，即下行透傳、上行透傳、下行發送、上行發送、全線發送、下行接收、上行接收模式，其他狀態均不允許，如表1所示。

表1 改進型RS485總線的傳輸模式Tab.1 Transmission mode of improved RS485 Bus

（1）當A口接收和B口發送被使能、UART處于接收狀態時，設備處于下行透傳模式，此時總線信號按下行方向傳送，信號從A口進入設備轉為TTL電平被UART接收，同時通過B口重新轉為差分信號回到總線。

（2）當A口發送和B口接收被使能、UART處于接收狀態時，設備處于上行透傳模式。該模式與下行透傳模式功能相同，只是與總線信號按上行方向傳送。

（3）當A口和B口發送都被使能、UART處于發送狀態時，設備處于全線發送模式，此時UART輸出的數據通過A口和B口轉換為差分信號分別向上行和下行方向傳輸。

（4）當A口被關閉、B口發送被使能、UART處于發送狀態時，設備處于下行發送模式，此時UART輸出的數據通過B口轉換為差分信號向下行方向傳輸。

（5）當B口被關閉、A口發送被使能、UART處于發送狀態時，設備處于上行發送模式，此時UART輸出的數據通過A口轉換為差分信號向上行方向傳輸。

（6）當B口被關閉、A口接收被使能、UART處于接收狀態時，設備處于下行接收模式，此時下行方向總線信號從A口進入設備轉為TTL電平被UART接收，但不會繼續向下行方向傳送。

（7）當A口被關閉、B口接收被使能、UART處于接收狀態時，設備處于上行接收模式，此時上行方向總線信號從B口進入設備轉為TTL電平被UART接收，但不會繼續向上行方向傳送。

在改進型RS485設備的7種模式中，下行透傳模式、上行透傳模式相當于傳統RS485的接收模式，全線發送模式相當于傳統RS485的發送模式；而下行發送、上行發送、下行接收、上行接收這4種模式是傳統RS485所不具備的，通過這4種模式可以實現總線設備數量自動查詢和編址等功能。

2 協議設計

依托改進設計的硬件結構，可以通過協議實現總線設備數量自動查詢、自動編址、數據通信、設備熱插拔4種功能。這些功能通過查詢狀態和順序通信狀態來實現。設備上電或復位時，總線首先進入查詢狀態，通過該狀態使每個設備獲得總線上設備總數量和自身的總線地址（即該設備在總線上的位置），然后總線進入順序通信狀態，設備按照總線地址的順序獲得數據發送權[5]。通信過程中，設備定時或通信發生故障時重新進入查詢狀態，檢測是否有設備新增或斷開，若檢測到總線設備發生變化即更新設備數量和編址，然后重新進入通信狀態，通過該功能可應對設備熱插拔等情況[7-8]。

2.1 查詢狀態

總線查詢狀態分為下位設備搜尋和下位授地址2個過程。進入查詢狀態后首先進行下位搜尋，即查詢總線下行方向是否還有相鄰設備，同時應答來自上行方向設備的查詢指令。具體方式為設備定時切換成下行發送模式發送搜尋指令，發送時間約為100 μs，然后切換成上行接收模式接收下行方向傳來的應答，持續5 ms；其他時間為下行接收模式，接收上行方向設備傳來的搜尋指令，若收到搜尋指令則立即轉為上行發送模式發送應答。定時下行發送搜尋指令的周期為以100 ms為基數的隨機時間，循環進行。由于下行接收模式的時間遠大于其他階段時間，且經過多次循環，有很大的概率可以接收到上行方向設備發送的搜尋指令。經過若干次循環后，若沒有搜尋到下位設備，則該設備置下行端部標志；若沒有接收到搜尋指令，則置上行端部標志；若既搜尋到下位設備又收到來自上位的搜尋指令，則置總線中部標志，如圖3（a）所示。

下位授地址過程由上行端部標志設備發起，上行端部設備首先設定自身地址為0，然后向下行方向相鄰的設備發送授地址指令，設其地址為1；相鄰設備收到授地址指令后，再向其下行方向設備發送授地址指令，設其地址為2，以此類推，直到下行端部設備為止，如圖3（b）所示。由于在被授地址之前，總線設備絕大多數時間處于下行接收模式，可以收到來自上行方向的授地址指令；然后在向下行方向發送完授地址指令后，立即切換為上行接收模式；當下行端部設備被授地址后，立即向上行方向發送通信啟動指令，使總線設備進入正常通信狀態，如圖 3（c）所示。

圖3 協議過程Fig.3 Protocol process

2.2 順序通信狀態

總線設備進入順序通信狀態后，從地址為0的設備開始依次發送數據，直到下行端部設備。具體過程如圖3（d）所示。總線設備收到通信啟動指令后，設備0進入下行發送模式，總線中部設備進入下行透傳模式，下行端部設備進入下行接收模式。設備0發送的數據可以被其他所有設備接收；數據發送完畢后設備0切換為上行接收模式，設備1切換為全線發送模式，其他設備依然為下行透傳模式和下行接收模式，設備1發送數據也可被其他所有設備接收；發送完畢后設備1切換為上行透傳模式，設備2切換為全線發送模式，以此類推。每個具有數據發送權的設備以全線發送模式發送數據，其上行方向全部為上行透傳模式，下行方向全部為下行透傳模式，總線上下兩端設備分別為上行接收模式和下行接收模式，發送的數據可以被其他所有設備接收。

2.3 設備熱連接處理

總線設計允許在運行狀態下，在兩端添加新設備。新設備接入總線端部并上電后進入查詢狀態，而總線原有設備在運行過程中，其兩端設備的開放端端口實際處于關閉狀態，不會相互影響。總線原有設備經過一段時間的順序通信循環后，兩端設備定期進入查詢狀態，即原上行端部設備切換到下行接收模式，若上行方向有新設備接入，便會接收到新設備發出的搜尋指令；原下行端部設備切換到下行發送模式向下發送搜尋指令，若下行方向有新設備接入則會接收到搜尋指令應答。兩端設備進行新設備查詢過程中，原總線中部設備一直處于上行透傳模式。若未發現有新設備接入，則原下行端部設備發送通信啟動指令，重新進行循環通信；若有新設備接入，則原下行端部設備發送復位指令，所有設備重新執行查詢命令。

2.4 總線故障或熱拔除處理

總線運行狀態下，若有設備拔除或發生總線斷線時，總線可重新進行編址，重啟循環通信過程。這項處理有2種情況：若斷開部分不包含具有數據發送權的設備，則當數據發送權傳遞到斷開點上行相鄰處設備并發送數據后，此設備將無法再向下傳遞數據發送權，即數據發送權指令無應答，而該處上行方向設備皆為上行透傳模式或上行接收模式，故該設備將向上行方向發送復位指令，使總線上其余設備復位并重新執行總線查詢、編址過程；另一種情況是，若斷開部分包含具有數據發送權的設備，則斷開點處的設備在等待超時后，將向下行方向發送復位指令。由于下行方向設備都為下行透傳模式或下行接收模式，故可以接收到復位指令并重新執行總線查詢、編址過程。

3 結語

改進型RS485總線硬件通過總線中繼功能，保證在總線設備較多，總距離較遠的情況下得到較高的傳輸穩定性和傳輸波特率；同時基于該硬件結構特點，可通過協議實現總線設備自動編址，順序通信、總線斷線可檢測和設備熱插拔處理，增加設備組網的靈活性。通過采用3臺由STM32F103RET6構成的改進型RS485總線設備進行測試，采用與CAN總線相同的1M通信波特率和100 m的設備間距進行重復數據通信，測試通信誤碼率低于10-10，優于RS485、RS232、RS422等傳統通信方式，通信波特率可達到CAN總線的水平。改進型RS485硬件可由STM32等具有高速UART設備的MCU構成，通過移植包含尋址、通信、插拔處理功能的底層代碼，設計出具有協議通用性的智能儀表設備，使這種智能儀表既能保留RS485的優勢又能具備現代現場總線的性能。

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