基于RS—485總線的多主機通信方法

馬志強 楊海明 王蘇毅

摘要：針對RS-485總線多個節點之間無法自由通信的問題，介紹一種多主機通信方法，以探討總線接口電路和組網方式，并通過設計通信協議和規劃通信過程，完成相關程序設計。此方法在某裝備模擬項目中得到應用，取得了預期的效果。

關鍵詞：RS-485；多主機；接口電路；通信協議

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.012

引言

RS-485接口以其結構簡單、通信速率高、傳輸距離遠、成本低廉等優點在現場總線中得到廣泛應用。傳統的RS-485總線要求在同一時刻只能有一個節點進行數據發送，為此多采用一主多從方式或分時復用方式。一主多從方式，即網絡中有一個主節點和若干個從節點，由主節點輪詢各個從節點以實現數據通信。分時復用方式，即總線控制權分時交由各個節點使用，各節點按照預先分配的時間段發起通信。遇到節點主動發送實時要求高，節點數目不確定，且各個節點通信負荷不均衡等通信系統時，上述兩種通信模式的總線利用率和實時性都相對較低。在模擬器材通信中，經常會遇到各節點不定期、多批次主動發起通信的情況，在應用RS-485網絡時顯得較為不便。為此，需要研究一種基于RS-485總線的多主機通信方法，并在模擬訓練中得到應用，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）的發送信號TX通過“發送器”轉換成通訊網絡中的差分信號，將通訊網絡中的差分信號通過“接收器”轉換成MCU接收的RX信號。任一時刻、RS-485收發器只能夠工作在“接收”或“發送”兩種模式之一，因此，必須為RS-485接口電路增加一個收/發邏輯控制電路。另外，RS-485接口電路的附加保護措施也是必須考慮的環節。

如圖1所示為我們設計的RS-485總線接口電路，核心芯片為SP3485，該芯片為+3.3V低功耗半雙工收發器，滿足RS-485和RS-422串行協議的要求，數據傳輸速率可高達10Mbps（帶負載），與Sipex的SP481、SP483和SP485的管腳互相兼容，同時兼容工業標準規范。SP3485發送器的輸出是差分輸出，空載時輸出電壓的大小為OV—+3.3V，即使在差分輸出連接了54Ω負載的條件下，發送器仍可保證輸出電壓大于1.5V。發送器輸出最大250mAISC的限制使SP3485可以承受-7.OV～+1 2.OV共模范圍內的任何短路情況，保護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15kΩ（最小為12kΩ）。一7V-+12V的寬共模電壓范圍允許系統之間存在大的零電位偏差。SP3485接收器還具有故障自動保護（fail-safe）特性，可在輸入懸空時使輸出保持在高電平狀態。

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內核、處理速度可達72MHz，具有64K RAM和512K Flash，支持CAN、1²C、SPI、USART、USB等接口。其串行口通過RXD（即485一RX引腳）連接SP3485芯片的RO引腳，通過TXD（即485一TX引腳）連接芯片的DI引腳。MCU輸出的485_DIR信號控制芯片的發送器/接收器使能，亦即控制通信方向。當485一DIR1言號為“1”時，發送器工作，接收器失效，此時MCU可向RS-485總線發送數據；485一DIR信號為“0”時，發送器失效，接收器工作，此時MCU可以接收來自RS-485總線的數據。

為保證電路工作穩定可靠，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據時能保證RS485總線處于確定狀態，為總線提供網絡失效保護，以提高RS-485節點與網絡的可靠性。

電阻R5為備用設計、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總線在組網時，位于網絡兩端的節點需要增加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整節點在網絡中的位置，我們還為終端電阻設計了選擇跳線JP1。

2 組網方式

RS-485總線組網方式如圖2所示、所有RS-485節點全部掛在一對RS-485總線上。注意RS-485總線不能夠開叉、但是可以轉彎。RS-485網絡采用直線拓樸結構，需要安裝2個終端匹配電阻。終端匹配電阻安裝在RS-485傳輸網絡的兩個端點，并聯連接在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，以減少信號的反射，從而提高信號的傳輸質量。在矩距離（300米以下）、低波特率（19200bps）數據傳輸時可不需終端匹配電阻。

3 多主機通信協議

穩定可靠的通信不僅依賴硬件環境，對通信協議也有很高的要求。為了解決RS-485總線多主機通信的問題，需要對RS-485通信協議進行研究。

3.1幀結構

起始符-目的節點-源節點-幀長度-命令/數據-幀校驗-結束符

設定起始符為字符$。考慮到便于報文接收、起始符應與設備地址不同。目的節點、源節點均為網內設備節點地址，取值為1-32。幀長度是從起始符到結束符的字符長度，取值為7-255。結束符為字符@。

幀校驗（FCS）通常可采用奇偶校驗、和校驗、CRC校驗等方法，前兩者處理相對簡單，節省運算時間，但存在漏檢的可能，后者處理相對復雜，需要一定的運算時間，但可靠性優于前面兩種方法。在具體應用時，可根據需要自行選擇。本文幀校驗方法為從目的地址開始，到數據的最后一個字節為止，各字節依次異或，最后得到的數值即為幀校驗值，如果接收方發現校驗錯誤則應要求發送方重發。

值得注意的是，對于起始符、結束符與數據幀內容重疊時的處理，采用數據字節前插入OxFF的辦法加以識別。例如，要發送的數據為OX24，與結束符重疊，則在報文中應寫為OxFFOx24。

3.2通信過程

3.2.1發送方工作流程

RS-485總線采用半雙工工作方式，全網在同一時刻只能有一個設備在發送報文（扮演主機），此時其它設備處在接收狀態（扮演從機）。基于對可靠性的考慮，采取如圖3所示通信流程。

具體解釋如下：F_BUSY為總線忙標志，取值為“1”時表示“總線忙”，N為發送報文后對方無應答時報文的重傳次數，M為接收到的報文出現FCS錯誤時的重傳次數。當系統初始化時，每個節點的F_BUSY均為0，即總線空閑，N、M均為0。

發送方的工作流程如下：

總線的申請和釋放均由通信的發起方完成。

步驟一：申請總線。發送報文前先進行“忙”檢測，當F—BUSY為“O”時發送“申請總線”報文，通知全網節點即將占用總線，并開啟計時器，無關節點收到該報文后將F_BUSY置為1，并禁止本地發送報文，目的節點收到后發送“確認可用”報文。當F—BUSY為“1”或計時已到卻未收到“確認可用”報文，則隨機延時后重新申請總線。

步驟二：發送報文。

步驟三：等待應答。發送報文后，啟動計時器，等待對方的接收應答，如在規定時間內未收到對方應答，則進行報文重傳，并將重傳次數N加1。如果重傳已達三次，則認為網絡斷開，釋放總線，結束通信。

步驟四：出錯重傳。如果對方應答幀內容為“FCS錯誤”報文，則進行報文重傳，并把M加1。如果重傳已達三次，則認為網絡不穩定，釋放總線，結束通信。

步驟五：釋放總線。報文發送流程結束后，該節點發出“釋放總線”報文，各節點將F_BUSY置為O，總線恢復空閑狀態。

發送方的處理中，在申請總線階段沒有考慮消息碰撞問題，這主要是基于網絡節點數量有限，碰撞幾率較低的考慮。為增強報文的可靠性，須進行幀校驗處理。在等待應答階段，采取ARQ技術，對出錯報文進行請求重傳。為避免程序陷入死循環，針對對方無應答或報文幀校驗錯誤的情況采用了有限次重傳的機制。

3.2.2接收方工作流程

處理一：報文過濾。通過報文頭部，判斷收到的報文是否為其它節點發給本節點，如果不是則不予處理。

步驟二：報文校驗。對發給本節點的報文進行幀校驗，如果有錯誤，則發“FCS錯誤”報文，并將已收到報文丟棄，如果校驗正確則發“確認接收”報文。

步驟三：報文處理。對正確接收的報文進行分析處理。

4程序設計

程序設計中主要對初始化程序、中斷接收程序、報文發送程序、報文處理程序等程序分別進行設計。

4.1初始化程序

初始化程序主要完成MCU和RS-485收發器管腳的初始化，并開啟串口接收中斷。

void InitDev（void）

{

RCC_Configuration（）；//配置系統時鐘，使能各外設時鐘

Init_485（）；//配置485管腳，并預置為接收使能

SysTick_lnit（1000）；//初始化系統滴答

G LCD_init（）；//初始化TFT屏

UART3lnit（）；//對USART3進行串口參數設置、中斷配置，開啟接收中斷

）

4.2.中斷接收程序

中斷接收程序主要對符合數據幀格式的報文進行接收，根據報文中的目的節點過濾掉發給其它節點的報文，并對報文進行幀校驗，最后設置相應的標識位，供接收數據處理程序使用。

void USART3_IRQHandler（void）

{

if（ USART_GetITStatus（USART3，USART_IT_RXNE）==SET）

{

u8 temp；

USART_ClearITPendingBit（USART3，USART_IT_RXN E）；

temp=USART3->DR；

//以下對收到的字符進行處理

為避免對方快速發送多組報文，使接收方來不及處理而導致丟失報文，我們采取雙緩存的方式，即設置兩個接收緩存區，輪流存儲接收到的報文，對緩存區的占用情況設置標志位。

char F_REC；//緩存區存儲標志

char buf_index；//當前待處理的緩存區號

u8*buf_revl；//接收緩存區1

u8*buf_rev2；//接收緩存區2

u8 Dataln[128]；//臨時存儲區

u8 dataNums；//已收到的數據長度

if（（F_REC==O）|| （F_REC==Oxl0））

{

//緩存區為空，或只有緩存區2被占用

buf_revl =（u8^*）malloc（dataNums）；

memcpy（buf_revl，&Dataln;，dataNums）；

if（buf_index==0） buf_index=l；

F_RECl=Ox01；11緩存區1已占用

}

else if（F_REC==Ox01）

{

//只有緩存區1被占用

}

else if（F_REC==Oxll）

{

//緩存區已滿

4.3報文發送程序

報文發送程序主要是將任意長度的報文發送到總線上。由于485總線通信始終在接收/發送之間切換，為保證總線可靠工作，狀態切換時應做適當延時，等總線狀態穩定后，再進行數據的收發。具體方法是在數據發送狀態下，先將485一DIR置“1”，延時2ms，再發送數據，數據發送完成后，延時2ms，直接將485_DIR置“O”。這種處理可有效提高總線的穩定性，增強數據傳輸的可靠性。延時時間的取值與波特率有關，波特率越小，延時應越大。

RS_485_TX_EN；//485發送使能

RS485_Delay（2）；//延時2ms

for （i=0； i

{

USART_SendData（USART3， data[i]）；

while（USART_GetFlagStatus（USART3， USART_FLAG_TC）== RESET）；

}

/*RS485_Delay（2）；*/

RS_485_RX_EN；//485接收使能

4.4報文處理程序

為了保證中斷接收程序始終能快速響應對方發來的數據，我們把報文處理程序放在中斷之外，以免程序處理當前報文用時過長，影響下一組報文的接收。在主程序中通過對接收標志位的判斷來調用報文處理程序，根據接收報文內容的不同給出相應的響應。

int main（void）

{

while（l）

{

if（F_REC>O）

{

if（buf_index==1）DeaIData（buf_rev1，buf_lenl）；

if（buf_index==2）DeaIData（buf_rev2，buf_len2）；

）

5 結語

本文中介紹了一種多主機通信的485總線通信實現方法，該方法適用于工作環境相對惡劣、多主機隨機通信需求較高的場合，目前已應用到某模擬訓練系統，經兩年多的使用，系統運行穩定可靠。在具體實踐中，對于工作條件較好時，為提高效率可對通信協議進行精簡設計，如縮短幀結構、簡化通信過程等，藉此可減少總線占用時間，縮短節點響應時間，達到更為理想的通信效果。

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