基于群呼和隊列應(yīng)答策略提高RS485總線通信效率

柏思忠

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039）

RS485 總線有著布線簡單、通信方便、價格低廉、通信距離長等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場、智能控制、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，RS485 總線連接節(jié)點設(shè)備數(shù)量越來越多，單個節(jié)點信息量越來越大，提高RS485總線通信效率愈發(fā)急迫，主要采取提高波特率、控制收發(fā)控時序、多主通信和軟件改善通信策略4 方面措施。在提高波特率方面，彭韜等[1]采用變化的波特率達(dá)到通信效率最優(yōu)；盧超[2]和陳航等[3]都使用最大波特率高達(dá)40 Mbps 的通信速率；景程等[4]使用多種設(shè)備不同波特率通信提高通信效率；范潔等[5]更是為了滿足實時性要求將RS485 瞬間改變?yōu)槊}沖波形傳遞信息；劉希高等[6]為RS485 高速隔離提供了磁隔離方式實現(xiàn)上兆速率傳輸，提高波特率的措施最直接有效，但是高波特率傳輸距離大大縮短；郭佳欣[7]等指出高波特率還會增加誤碼率。在控制收發(fā)時序方面鄧昊等[8]通過軟硬件2 方面有效控制收發(fā)轉(zhuǎn)換時間到1 個合理范圍；聞海忠[9]采用3 種硬件方式實現(xiàn)收發(fā)控自動切換，控制收發(fā)控時序單幀數(shù)據(jù)僅能減少不到毫秒級的時間，通信效率提高有限。多主通信方面，胡明飛等[10]采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議（CSMA/CD）實現(xiàn)多路溫度采集器主動發(fā)送數(shù)據(jù)；李周利等[11]采用主從節(jié)點控制、從節(jié)點自然優(yōu)先 級設(shè)置及3 種軟、硬件定時方法解決了總線沖突問題；于鑫等[12]通過廣播命令切換主從機(jī)狀態(tài)實現(xiàn)多主通信；韓路平等[13]采用監(jiān)聽和時間同步切換主從機(jī)狀態(tài)實現(xiàn)兩主多從通信；但是前2 種多主通信增加了沖突檢測等硬件成本，后2 種本質(zhì)上在某個時刻仍是一主多從模式，對通信效率提高意義不大。改善通信策略方面，陳品富等[14]根據(jù)變長幀自動調(diào)節(jié)下發(fā)頻度實現(xiàn)自適應(yīng)召喚策略，較大幅度提高了總線通信效率，是一種通用有效的方法，但沒有明確給出從機(jī)如何快速發(fā)送緊急信息的策略，需進(jìn)一步細(xì)化和完善。當(dāng)然，提高總線通信效率的同時還必須保證通信的可靠性，不能忽略劉喜增等[15]提出的信號反射干擾和趙亮等[16]提出的RS485 總線距離長、節(jié)點數(shù)多、反射干擾、假起始信號等因素對通信可靠性的影響。

針對提高RS485 總線通信效率的問題，結(jié)合上述分析，提出了一主多從采用群呼和隊列應(yīng)答策略來提高RS485 中心提高通信效率。

1 群呼和隊列應(yīng)答策略

RS485 總線通信過程中，主機(jī)采用群呼方式，呼叫信息中攜帶當(dāng)前總線所有從機(jī)地址組成的地址鏈表和應(yīng)答時隙時長；從機(jī)采用隊列模式應(yīng)答，應(yīng)答分為優(yōu)先應(yīng)答和正常應(yīng)答2 個隊列，從機(jī)根據(jù)自身應(yīng)答信息的重要性選擇回發(fā)，重要和緊急信息在優(yōu)先應(yīng)答隊列對應(yīng)時隙回發(fā)，平常信息在正常應(yīng)答隊列對應(yīng)時隙回發(fā)，所有從機(jī)都在線監(jiān)聽，優(yōu)先應(yīng)答和正常應(yīng)答2 個隊列中根據(jù)地址鏈表中順序逐一回發(fā)，已經(jīng)在優(yōu)先隊列中回發(fā)的從機(jī)正常應(yīng)答隊列不再回發(fā)，實現(xiàn)重要和緊急信息優(yōu)先傳遞。

1）主機(jī)群呼。主機(jī)通過RS485 連接n 臺從機(jī)，初始化階段從1～n 逐臺呼叫，主機(jī)根據(jù)收到的所有從機(jī)E1～En的地址建立1 個地址鏈表A1～An；然后進(jìn)入正常工作流程，主機(jī)發(fā)出群呼命令，呼叫信息包括地址鏈表A1～An和每個時隙對應(yīng)時長△τ 轉(zhuǎn)（通常取值總線傳輸2～10 字節(jié)寬度）為接收狀態(tài)，等待從機(jī)應(yīng)答。

2）從機(jī)應(yīng)答隊列。RS485 總線n 臺從機(jī)根據(jù)自身實時通信信息的重要和緊急程度分為優(yōu)先隊列和正常隊列。通信信息涉及故障、報警、數(shù)據(jù)急劇變化等情況需要及時發(fā)送的從機(jī)根據(jù)地址從小到大進(jìn)入優(yōu)先隊列，通信信息無重要和緊急情況的從機(jī)根據(jù)地址從小到大進(jìn)入正常隊列，二者只能且必須選其一。

3）應(yīng)答時隙分配。RS485 總線從機(jī)應(yīng)答時隙的分配如圖1，主機(jī)群呼后，等待1 個時隙△τ 依次為優(yōu)先隊列應(yīng)答時隙X1～Xn，優(yōu)先隊列時隙后緊跟1個等待時隙△τ 再依次為T1～Tn。

圖1 隊列應(yīng)答時隙分配圖Fig.1 Queue response slot allocation diagram

4）從機(jī)應(yīng)答策略。從機(jī)隊列應(yīng)答示意圖如圖2。主機(jī)群呼完畢后，優(yōu)先隊列中有從機(jī)（例如E2）排隊，經(jīng)過1 個等待時隙△τ，然后再等到從機(jī)對應(yīng)時隙X2應(yīng)答，應(yīng)答完畢后增加1 個等待時隙△τ，后續(xù)的隊列對應(yīng)時隙向后順延1 個時隙△τ，優(yōu)先隊列中還有從機(jī)就繼續(xù)在對應(yīng)時隙應(yīng)答，增加1 個等待時隙△τ 并順延，直到優(yōu)先隊列中從機(jī)應(yīng)答完畢；優(yōu)先隊列從機(jī)應(yīng)答完畢后經(jīng)過1 個等待時隙△τ，正常隊列中排隊從機(jī)開始在對應(yīng)時隙應(yīng)答（從E1～En），信息無變化時應(yīng)答信息簡化，在優(yōu)先隊列已經(jīng)應(yīng)答的從機(jī)（例如E2）在正常隊列中不再出現(xiàn)，從機(jī)應(yīng)答后增加1 個等待時隙△τ 順延，直到正常隊列所有從機(jī)應(yīng)答完畢，本次主機(jī)群呼結(jié)束，進(jìn)入下一次群呼，周而復(fù)始。

圖2 從機(jī)隊列應(yīng)答示意圖Fig.2 Slave queue response diagram

5）優(yōu)劣分析。主機(jī)群呼和隊列應(yīng)答策略遵循RS485 通用一主多從模式，根據(jù)總線所有從機(jī)建立地址鏈表，劃分應(yīng)答時隙，從機(jī)根據(jù)自身信息緊急和重要程度排隊到優(yōu)先隊列和正常隊列有序應(yīng)答。這種策略具有以下4 個方面的優(yōu)勢：①它是一種軟件策略，具備通用性，與波特率、從機(jī)數(shù)量和通信距離無關(guān)，硬件不作任何改變；②采用群和隊列順序應(yīng)答，一呼多應(yīng)，減少主機(jī)呼叫次數(shù)和幀與幀間隔，縮短了輪詢周期，提高了總線通信效率；③采用優(yōu)先管理機(jī)制，保證從機(jī)重要和緊急數(shù)據(jù)及時傳輸；④從機(jī)應(yīng)答信息無變化時，采用減少字節(jié)長度的簡化幀應(yīng)答，進(jìn)一步縮短輪詢周期。但是，群呼和隊列應(yīng)答策略也有1 個方面的劣勢，整個通信過程時序要求更加嚴(yán)格，從機(jī)要一直監(jiān)聽并嚴(yán)格根據(jù)對應(yīng)時序要求進(jìn)行應(yīng)答。

2 實際應(yīng)用

試驗平臺為1 臺分站（主機(jī)E0）通過RS485 總線連接4 臺甲烷傳感器（從機(jī)E1～E4對應(yīng)地址1#～4#），1#傳感器和分站之間1.5 m 電纜連接，后3 臺傳感器之間采用1 000 m 模擬電纜依次連接。試驗平臺如圖3。

圖3 試驗平臺Fig.3 Test platform

RS485 總線通信速率采用2 400 bps，單字節(jié)在總線傳輸時間約4.2 ms，傳統(tǒng)呼叫一呼一答方式，分站發(fā)送10 字節(jié)共42 ms，傳感器應(yīng)答15 字節(jié)63 ms，傳感器收到分站呼叫等待時隙△τ=10 ms，分站收到傳感器信息后等待80 ms 開始下一次呼叫。整個輪詢周期分站呼叫4 次，每臺傳感器各應(yīng)答1 次，共780 ms。

群呼和優(yōu)先應(yīng)答時序圖如圖4。

圖4 群呼和優(yōu)先應(yīng)答時序圖Fig.4 Group call and priority response timing diagram

采用群呼和隊列應(yīng)答策略時，其中第2 臺傳感器有緊急信息需要及時上傳，1#、3#和4#共3 臺傳感器正常信息應(yīng)答，分站呼叫增加了地址鏈表和等待時隙時長信息共15 字節(jié)63 ms，整個輪詢周期分站呼叫1 次，2#在優(yōu)先隊列應(yīng)答1 次，其余3 臺傳感器在正常隊列各應(yīng)答1 次，共耗時475 ms，輪詢周期縮短305 ms。優(yōu)先隊列中的傳感器應(yīng)答和正常隊列中傳感器應(yīng)答時間一樣，只是應(yīng)答次序問題，因此這個輪詢周期數(shù)值適用于優(yōu)先隊列中0～4 臺所有情況。其中優(yōu)先隊列中的2#傳感器應(yīng)答響應(yīng)時間為20 ms，而傳統(tǒng)呼叫2#傳感器應(yīng)答響應(yīng)時間為205 ms，采用優(yōu)先隊列方式大大提高了傳感器重要和緊急信息的響應(yīng)時間，尤其是地址號更大的傳感器響應(yīng)時間減少得更多。

RS485 總線通信在采用群呼和隊列應(yīng)答策略時，所有傳感器信息都沒有變化只是正常應(yīng)答，采用4 字節(jié)16.8 ms 簡化幀方式，整個輪詢周期僅僅只有290.2 ms，比傳統(tǒng)方式縮短489.8 ms，大大提高了通信效率。

經(jīng)過群呼和隊列應(yīng)答策略試驗，對比傳統(tǒng)方式分析，可得出如下結(jié)論：①通過群呼和隊列順序應(yīng)答減少主機(jī)（n-1）次呼叫和等待時間，縮短輪詢周期；②通過設(shè)置優(yōu)先隊列保障緊急和重要信息的從機(jī)快速應(yīng)答，減少響應(yīng)時間；③對應(yīng)答信息無變化的從機(jī)實施簡化編碼，縮短應(yīng)答數(shù)據(jù)幀長度，進(jìn)一步縮短輪詢周期。

3 結(jié) 語

RS485 總線通信采用群呼和隊列應(yīng)答策略，硬件不作任何改變，細(xì)化和完善軟件通信策略，對所有不同速率、不同距離、不同從機(jī)數(shù)量的RS485 都具有通用性。這種策略通過群呼、隊列順序應(yīng)答和簡化編碼大幅度縮短輪詢周期提高通信效率，同時設(shè)置優(yōu)先隊列保障了緊急和重要從機(jī)信息的及時傳遞，但是整個通信過程具有嚴(yán)格的時序要求，需要從機(jī)一直在線監(jiān)聽和遵循時序管理。