非確定時序的多設備異波特率串行通信的研究

景　程　趙國軍

(浙江工業大學特種設備制造與先進加工技術教育部重點實驗室　浙江 杭州 310014)

?

非確定時序的多設備異波特率串行通信的研究

景程趙國軍*

(浙江工業大學特種設備制造與先進加工技術教育部重點實驗室浙江 杭州 310014)

摘要RS485是一種常規的通信總線，多設備通信一般采用主從式通信。但具體應用時，有些從設備對主設備詢問的應答時間不確定，且應答時間無法更改。為此選取了一個主設備和三個從設備組成的模型進行研究，其中三個從設備分別具有不同的特性：能定時應答主設備詢問和固定波特率的從設備，能定時應答主設備詢問和波特率可設的從設備，以及非確定時間應答主設備詢問和波特率可設的從設備。在此基礎上提出三種通用的非確定時序的主從式多設備通信協議，并搭建平臺進行了測試。結果顯示傳統的輪詢通信協議在現場應用時難以滿足實時性要求高的場合，采用插值異波特率通信協議能提高非確定時序的主從式多設備通信的效率，而且避免某些從設備誤收數據，同時該通信協議可以適用于其他本身不能自動仲裁的現場總線通信。

關鍵詞非確定時序主從式RS485

RESEARCH ON MULTI-DEVICE SERIAL COMMUNICATION IN DIFFERENT BAUD RATES WITH NON-DETERMINISTIC TIME SEQUENCE

Jing ChengZhao Guojun*

(Key Laboratory of Special Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

AbstractRS485 is a conventional communication bus, the multi-device communications generally use master-slave communication. But in specific applications, there are some slave equipments whose response time to master equipments’ inquiries are uncertain, and their response time cannot be changed. Therefore, the paper selects a model which consists of one master equipment and three slave equipments for studying, in it three slave equipments have different features respectively: the one makes timing response to master equipment’s inquiry and has fixed baud rate, the other makes timing response to master equipment’s inquiry but its baud rate can be set, and another one responds to master equipment’s inquiry in non-deterministic timing and its baud rate can be set as well. Based on this model we propose three common non-deterministic timing master-slave multi-device communication protocols, and build a platform to test them. Result shows that the traditional polling communication protocol is difficult to satisfy the occasions with high real-time performance demand when on-site applying, and to use interpolation different baud rate communication protocol can improve the efficiency of master-slave multi-device communication with non-deterministic timing, and prevents some of slave equipments from mistakenly receiving data, meanwhile the protocol can be applied to other field bus communication which cannot automatically arbitrating by themselves.

KeywordsNon-deterministic timingMaster-slaveRS485

0引言

RS485總線因其物理結構實現簡單、傳輸距離遠、傳輸速度較快、抗干擾能力強被廣泛應用在工業控制領域[1]。RS485在應用層一般采用命令/應答方式，在多機主從式通信時需設計良好的通信協議[2]。武漢理工大學提供了一種改進的RS485主從通信方式，即把普通輪詢改為多播輪詢(一問多答)，主設備發出的詢問，各從設備根據設置的應答時間依次應答[3]。中煤科工集團常州自動化研究院設計了基于類令牌環的RS485多主通信協議模塊，正常情況下通信節點按令牌順序輪流與主控機交互數據，當設備有緊急情況需要搶先上傳數據時，可在搶發時間內搶占RS485總線[4]。但在實際現場應用時，有些從設備對主設備詢問的應答時間是不確定的，并且出廠時就確定了，無法更改。

針對這種情況，本文提出非確定時序的多設備異波特率串行通信的研究，取三種從設備，一種是能定時應答主設備詢問和固定波特率的從設備，一種是能定時應答主設備詢問和波特率可設的從設備，一種是非確定時間應答主設備詢問和波特率可設的從設備，以設計一個主設備與這三種從設備通信的通信協議為基礎，提出三種通用的非確定時序的主從式多設備通信協議，并搭建平臺測試。測試結果顯示傳統的輪詢方案在現場應用時難以滿足實時性要求高的場合，采用插值異波特率方案能提高非確定時序的主從式多設備通信的效率，而且避免某些從設備誤收數據，同時適用于其他本身不能自動仲裁的現場總線通信。

1通信協議設計理論分析

假設主設備K和三個從設備(分別記作A、B和C)采用主從方式利用RS485總線進行通信。其中，三個從設備對主設備K的詢問應答時間不可設置，但是從設備B和C的通信波特率可設置。

進一步假設：

1. 主設備K和從設備A通信一次，有NA幀。A對每幀應答時間固定，為 tA。主設備K收到應答后，經過tK1后發送下一幀。通信周期T(K,A)=TA(tK1在符合從設備A實時性的要求下，可由主設備軟件程序設置適當值，一旦tK1確定，TA就確定了)。見圖1所示。

圖1　主設備與從設備A的通信示意圖

2. 主設備K和從設備B通信一次，有4幀，從設備B的應答時間不固定且時間長，如表1所示：其中B收到第一幀后，有可能在tB1時間點應答，若沒有在這個時間點應答則在(tB2,tB3)時間范圍內應答；B收到第二幀和第三幀后，分別在(tB4,tB5)和(tB6,tB7)時間范圍內后應答； B收到第四幀數據后，在tB8后應答。

主設備K在收到從設備B數據 TK2后，接著發送下一幀。通信周期T(K,B)=TB(TK2在滿足從設備B的實時性要求的情況下可由主設備軟件程序設置，當 TK2和通信波特率為確定值時，TB仍為不確定值)。

表1　從設備B的應答時間

3. 主設備K和從設備C通信一次，有NC幀，從設備C每幀應答時間固定，為tC。K收到應答經過tK3后，發送下一幀。通信周期T(K,A)=TC(tK3在滿足從設備C的實時性要求的情況下可由主設備軟件程序設置，當tK3和通信波特率為確定值時，TC為確定值)。

通信協議方案選擇：根據上述的條件，制定了以下3種通信協議方案。

通信協議方案1：采用輪詢的方法。主設備K輪流跟每個從設備通信，通信一次周期為TP1(TP1≈TA+TB+TC，與每個從設備通信的時間間隔和一個輪詢結束到下一個輪詢的時間可由主設備軟件設置適當值)。如圖2所示。

圖2　輪詢方案通信示意圖

通信協議方案2：采用插值異波特率的方法，與每個從設備通信采用不同的波特率，將從設備A與主設備K的通信，插入到從設備B與K的通信中。插入的通信周期個數 NCR由從設備B的應答時間決定，計算方法如下所示：

(1)

通信示意如圖3所示：主設備K發送第一幀給從設備B后，K先與A通信N1次，再等待B應答，如果在時間點tB1，B沒有應答，則K繼續和A通信N2次，然后等待B應答。收到B應答后，K發送第二幀詢問B，接著又插入與A的通信，依次類推。直到K與B通信完成，再輪詢K與C的通信。這種方案的通信一次周期為TP2(TP2≈TB+TC，與從設備C通信的時間間隔和一個輪詢結束到下一個輪詢的時間可由主設備軟件設置適當值)。

圖3　方案2通信協議示意圖

通信協議方案3：采用插值異波特率方法，與每個從設備通信采用不同的波特率，將從設備AC與主設備K的通信，插入到B與K的通信中。插入的通信周期個數 MCR由B的應答時間決定，如下式所示：

(2)

通信的協議示意如圖4所示：主設備K發送第一幀給B后，K先與AC通信M1次，再等待B應答，如果在時間點tB1，B沒有應答，則K繼續和AC通信M2次，然后等待B應答。收到B應答后，K發送第二幀詢問B，接著插入與A的通信，依次類推。這種方案的通信一次周期為 TP3(TP3=TB，一個輪詢結束到下一個輪詢的時間可由主設備軟件設置適當值)。

如果參與通信對象滿足假設條件1：TP1

2具體工程實現及分析

此模型的測試平臺是基于電梯轎廂控制器與轎廂串行板和指紋模塊的主從通信系統。主設備是電梯轎廂控制器，從設備分別為轎廂串行板和指紋模塊。轎廂串行板負責轎廂內的各種信號的通信和處理，例如開關門信號、樓層顯示信號等，實時性要求比較高。指紋模塊用于某些私密性比較高的樓層呼梯，指紋的特征提取與指紋匹配都是比較耗時[5]。電梯轎廂控制器與轎廂串行板和指紋模塊采用RS485總線通信，轎廂串行板的波特率固定為38 400 bps，指紋模塊的波特率可設，兩個從設備的應答時間都不可設。搭建平臺如圖5所示：1是電梯控制器，2是轎廂串行板，3是指紋模塊，4是電梯轎廂控制器。

圖5　測試平臺

電梯轎廂控制器選用的由意法半導體(ST)公司推出的STM32F107系列的芯片[6]，使用的是ARM的Cortex-M3內核[7]。電梯轎廂控制器與轎廂串行板通信一次，需通信3幀數據。轎廂串行板在收到電梯轎廂控制器數據1 ms后，應答電梯轎廂控制器數據。轎廂控制器收到應答數據3 ms后，接著發送下一幀數據，通信周期為TSLP=33 ms。通信波形如圖6所示：黑框內為電梯轎廂控制器與轎廂串行板通信一次的波形。

圖6　電梯轎廂控制器與轎廂串行板通信波形

電梯轎廂控制器與指紋模塊通信一次，需通信3幀數據，分別為指紋圖像的獲取、指紋特征提取和指紋匹配[8]。由于指紋模塊的特殊性，指紋模塊的應答時間不確定。如表2所示：當電梯轎廂控制器發送第一幀給指紋模塊時，如果指紋模塊沒有獲取到指紋，則在220 ms時應答電梯轎廂控制器，告之沒有獲取到指紋，如果指紋模塊獲取到指紋，則在(510，560)(單位ms)時間范圍內應答電梯轎廂控制器，告之獲取到指紋。當指紋模塊沒有獲取到指紋時，電梯轎廂會一直通信第一幀，詢問指紋模塊是否獲取到指紋，直到指紋模塊獲取到指紋，才會接著通信第二幀和第三幀。

表2　指紋模塊每幀通信時間

電梯轎廂控制器與指紋通信3幀的周期TZW為范圍(1080，1320)(單位為ms)，如果采用方案1即輪詢方法，電梯轎廂控制器先跟轎廂串行板通信，再與指紋模塊通信，則不能滿足轎廂串行板的實時性要求。所以采用插值異波特率方法，將電梯轎廂控制器與轎廂串行板的通信插入到轎廂控制器與指紋模塊的通信中。根據式(1)，在保證足夠的通信時序余量的前提下，制定電梯轎廂控制器與轎廂串行板和指紋模塊通信示意如圖7所示：DTn(n=1,2,3)是指電梯轎廂控制器發送給指紋模塊的第n幀。ZWn(n=0,1,2,3)是指指紋模塊應答給電梯控制器的第n幀。SLP是指電梯轎廂控制器與轎廂串行板的一個完整通信周期。

圖7　通信協議方案示意圖

由圖7可知通信過程如下：電梯轎廂控制器先發第一幀DT1給指紋模塊，再跟轎廂串行板通信5次，等待指紋模塊應答，回復ZW0；如果指紋模塊沒有應答，則繼續和轎廂串行板通信5次，等待指紋模塊應答回復ZW1；當指紋模塊應答后，轎廂控制器發第二幀ZD2給指紋模塊，接著和轎廂串行板通信13次，之后等待指紋模塊應答；當指紋模塊應答回復ZW2后，電梯轎廂控制器發送第三幀DT3給轎廂串行板，因為第三幀指紋模塊應答較快，則不插入轎廂串行板通信，直接等待指紋模塊應答；當指紋模塊應答回復ZW3后，一次完整的電梯轎廂控制器與轎廂串行板和指紋模塊通信結束，整個周期TS=TZW。一個輪詢結束到下一個輪詢的時間可由主設備軟件設置適當值。由于電梯轎廂控制器有自發自收機制，即電梯轎廂控制器發送出去的數據，在接收端都能收到。所以測電梯轎廂控制器的接收端時可收到整個通信的波形，測指紋模塊的發送端時可收到到指紋的應答回復電梯轎廂控制器波形，實際測試到的通信波形如圖8所示。

圖8　實測通信波形

如圖8所示：圖中位于上方的是整個通信的波形，位于下方的是指紋模塊應答電梯轎廂控制器波形。當一直沒有指紋呼梯時，電梯轎廂控制器與指紋模塊連續通信第一幀；當一直有指紋呼梯時，電梯轎廂控制器與指紋模塊循環通信3幀。從整個通信波形可以看出，電梯轎廂控制器與轎廂串行板和指紋模塊通信時序緊湊，在最大程序上保證了系統的通信效率。

在測試過程中發現，雖然指紋模塊與轎廂串行板的協議不一樣，但是根據指紋的不同，指紋模塊在應答電梯轎廂控制器詢問指紋是否匹配的時候，會存在回復的數據幀里包含有轎廂串行板通信協議幀頭的現象。測試過程中，當指紋模塊采用和交響串行板相同的波特率時，轎廂串行板會誤收指紋的數據，為保證系統通信效率，指紋模塊應采用與轎廂串行板不同的波特率。

3結語

本文在對通信協議進行分析的基礎上提出一個主設備與三個從設備通信的模型，重點提出了插值異波特率通信協議。實際應用時可以根據實際情況和插值異波特率原理，對本文所提出的通信協議進行變通，例如本文所搭建的測試平臺。

結合測試結果，傳統的輪詢通信協議在現場應用時難以滿足實時性要求高的場合，插值異波特率能提高非確定時序的主從式多設備通信的效率，而且避免某些從設備誤收數據，同時該通信協議可以適用于其他本身不能自動仲裁的現場總線通信。

參考文獻

[1] 郝濤,陸宣博.基于RS485主從串口通訊協議的設計[J].裝備制造技術,2013(3):38-40.

[2] 曹志凱,江青茵,鄭振耀,等.基于RS485總線的網絡控制通訊軟件設計及應用[J].計算機工程與應用,2002,38(13):243-245.

[3] 周鵬,李艷艷.提高RS485總線主從通訊效率的軟件設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2008(8):70-73.

[4] 王樹豐,方斌,程大偉,等.基于類令牌環的RS485多主通信協議模塊設計[J].工礦自動化,2013,39(12):17-20.

[5] 李俊偉,周立儉,崔雪梅.基于改進基準點定位的指紋匹配算法[J].計算機工程,2011,37(12):164-166.

[6] STMicroelectronics group of companies, STM32F107 Datasheet Revision4.0[R].2009.

[7] 宋巖.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[8] Alama M S,Akhteruzzamana M, Cherrrib A K.Real-time fingerprint identification[J].Optics & Laser Technology,2004,36(3):191-196.

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.02.028

收稿日期：2014-08-01。景程，碩士生，主研領域：電梯控制系統及信號處理。趙國軍，教授。