支持多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-232串行總線系統(tǒng)

2017-07-06 10:29:02黃建剛羅正華

成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2017年2期

關(guān)鍵詞：信號檢測系統(tǒng)

黃建剛，張敏，羅正華

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610106)

支持多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-232串行總線系統(tǒng)

黃建剛，張敏，羅正華

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610106)

針對RS-232標(biāo)準(zhǔn)的單端接口信號、抗干擾能力弱、速率低、通信距離短、只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信且沒有自我檢測功能等問題，提出一種支持多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-232串行總線系統(tǒng).通過升級單端信號為差分信號，增加沖突檢測電路、載波偵聽電路與總線控制電路等，配合成熟的標(biāo)準(zhǔn)的沖突檢測和回退算法，不僅解決了RS-232標(biāo)準(zhǔn)存在的問題，提高了信號抗干擾能力和傳送速率，增加了通信距離，而且實(shí)現(xiàn)了多個RS-232設(shè)備間的相互通信及總線的自我檢測功能.

多點(diǎn)通信；自我檢測；差分信號；RS-232標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，RS-232接口因簡單、方便且成本低而得到廣泛應(yīng)用[1-3].目前，RS-232接口已經(jīng)集成到很多的處理器中，用于實(shí)現(xiàn)不同板卡、不同模塊甚至不同機(jī)架、不同設(shè)備間的通信，比如，嵌入式CPU和主流計(jì)算機(jī)中均集成了RS-232.然而，RS-232標(biāo)準(zhǔn)存在的問題限制了其通信能力和應(yīng)用領(lǐng)域，比如，接口信號是單端信號，抗干擾能力弱，通信距離短、速率低，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信，不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)與多點(diǎn)之間的通信，沒有規(guī)范總線的檢測標(biāo)準(zhǔn)，缺乏自我檢測功能等等.針對此類問題，本研究提出了一種支持多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-232串行總線系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方式.

1 系統(tǒng)總體方案

本研究提出的支持多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-232串行總線系統(tǒng)通過在原有RS-232接口的基礎(chǔ)上增加以下電路來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信，具體包括：

1)增加串口接口電路，將單端信號改變?yōu)椴罘中盘?，解決單端信號抗干擾能力弱及通信距離短的問題.信號質(zhì)量得以保證，傳輸距離得到延長，同時提高了數(shù)據(jù)傳送速率，從而提高了系統(tǒng)的性能.

2)增加沖突檢測電路、載波偵聽電路、總線轉(zhuǎn)換電路和輸出三態(tài)控制電路，同時采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/沖突檢測)算法[4]，解決RS-232僅支持點(diǎn)對點(diǎn)通信而不支持多點(diǎn)對多點(diǎn)通信的問題，實(shí)現(xiàn)多個RS-232設(shè)備相互通信的能力.

3)增加環(huán)回檢測電路，實(shí)現(xiàn)總線的自我檢測功能，提高總線的維護(hù)能力.環(huán)回檢測電路可同時應(yīng)用于通信方式的控制，使本總線系統(tǒng)可以支持半雙工和全雙工通信，也支持主從方式通信和平等方式通信.

2 系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)計(jì)

2.1x-堅(jiān)持CSMA/CD算法

CSMA/CD是由IEEE 802.3[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于以太網(wǎng)通信的一種傳輸媒介接入控制算法，稱為載波偵聽多址接入/沖突避免算法.利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)x-堅(jiān)持CSMA/CD算法進(jìn)行總線接入的控制，從而降低算法風(fēng)險，提高算法可靠性與系統(tǒng)穩(wěn)定性.以p-堅(jiān)持CSMA/CD為例，其算法流程圖如圖1所示.

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分由RS-232串行差分總線和位于各個通信節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)電路組成.RS-232差分總線系統(tǒng)框圖如圖2所示.系統(tǒng)中，差分總線由接收(receive,RX)和發(fā)送(transmit,TX)組成，主控器(micro-controller,MC)和節(jié)點(diǎn)(Node)掛接于差分總線上，MC與其他Node的收發(fā)交叉連接.MC和Node的串行總線部分的硬件功能框圖分別如圖3和圖4所示.

圖3和圖4中，與本系統(tǒng)相關(guān)的電路包括：環(huán)回控制電路、串口接口電路、輸出三態(tài)控制電路、沖突檢測電路、載波偵聽電路和保護(hù)電路.環(huán)回控制電路也可以放在Node上實(shí)現(xiàn).

圖1p-堅(jiān)持CSMA/CD流程圖

圖2 RS-232差分總線系統(tǒng)框圖

圖3 主控器(MC)串行總線硬件功能框圖

圖4 節(jié)點(diǎn)(Node)串行總線硬件功能框圖

3 實(shí)現(xiàn)功能與方式

3.1 實(shí)現(xiàn)功能

3.1.1 多點(diǎn)通信功能.

根據(jù)保護(hù)電路送過來的允許輸出信號ENO，輸出三態(tài)控制電路可以實(shí)現(xiàn)串行發(fā)送信號的高阻態(tài)控制.把不發(fā)送數(shù)據(jù)的MC或Node從RS-232差分總線上隔離，且不影響總線上數(shù)據(jù)的傳送.把發(fā)送數(shù)據(jù)的MC或Node接入到RS-232差分總線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送.

3.1.2 遠(yuǎn)距離傳輸能力.

RS-232的收、發(fā)信號通過串口接口電路，把原來的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，提高了信號的抗干擾能力，能夠把傳送距離延長至原來10倍以上.在確保一定誤碼率的情況下，信號質(zhì)量的提高也能使數(shù)據(jù)的傳送速率提高10倍以上.

3.1.3 自我檢測功能.

系統(tǒng)的總線自檢測原理如圖5所示，以MC模塊的電路為例，當(dāng)環(huán)回控制電路在CPU的控制下，將RS-232差分總線的RX和TX連接在一起后，CPU在TXM信號線上發(fā)送的數(shù)據(jù)將通過環(huán)回電路回送到RXM接收信號線上，因此CPU可以對接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此判斷總線功能是否正常.

圖5 總線自檢測原理圖

3.1.4 總線工作方式.

如果環(huán)回控制電路將RX和TX連接在一起(見圖5)，則邏輯上RX和TX成為1根總線.總線上所有的MC/Node都處于平等地位，此時，總線工作在半雙工平等通信方式下.此模式支持MC與多個Node之間，以及任意Node之間的通信.如果環(huán)回控制電路將RX和TX斷開，則邏輯上RX和TX成為2根獨(dú)立的總線.由于MC的TX與其他Node的RX相連接，MC的RX與其他Node的TX相連接，此時，MC可以與其他任意Node進(jìn)行全雙工通信.

當(dāng)各個Node要發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以采用2種接入方式，即主從接入方式與競爭接入方式.在主從接入方式下，不需要CSMA/CD算法，總線的控制權(quán)由MC掌握，各個Node的發(fā)送時機(jī)也由MC控制，通過MC輪詢各個Node是否有數(shù)據(jù)需要傳送來實(shí)現(xiàn)總線的接入控制；在競爭接入方式下，MC不主動發(fā)輪詢操作，而是由所有的Node通過CSMA/CD算法對總線控制權(quán)進(jìn)行競爭.

3.2 實(shí)現(xiàn)方式

系統(tǒng)的軟件的實(shí)現(xiàn)可以采用C語言或其他語言；硬件電路可以由成熟的芯片實(shí)現(xiàn)，也可以由FPGA/CPLD實(shí)現(xiàn).

3.2.1p-堅(jiān)持CSMA/CD算法軟件示例.

//程序基于8051等單片機(jī)編寫

//回退算法程序示例

//程序中預(yù)先設(shè)定的p值是CSMA-p.

bit Bus-Status(void)

{ uchar i；

Watch-Dog=ON;//清看門狗

Watch-Dog=OFF;

Bus-State-ptr=( uchar xdata * ) STATECS;

Bus-Status=*Bus-State-ptr;//獲取載波偵聽電路給出的總線狀態(tài)信號

if(Status) return((bit)0);//如果總線忙，返回；

if(rand()<=CSMA-p) return((bit)1);//如果總線閑，并且x

else

{for(i=0;i<=20;i++);Watch-Dog=ON;Watch-Dog=OFF;return((bit)0); }

}

//總線自我檢測程序示例

void Test-Bus(void)

{ data uchar i;

bit Err-Flag=FALSE;

Control-ptr=(uchar xdata *)CONTROLCS;

putout(″Waiting for checking BUS…

支持多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信的RS-232串行總線系統(tǒng)

0 引 言

1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)計(jì)

3 實(shí)現(xiàn)功能與方式

0 引言