張 莉，鄔寶寅

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

在現(xiàn)代分布式現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中RS485總線(xiàn)起到了重要作用，成為現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、PLC、工業(yè)PC之間最為通用的總線(xiàn)形式。RS485總線(xiàn)采用一對(duì)雙絞線(xiàn)通過(guò)差分信號(hào)以半雙工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有較強(qiáng)的抗干擾性和較遠(yuǎn)的傳輸距離，接口簡(jiǎn)單成本低廉。RS485總線(xiàn)硬件可以由差分信號(hào)收發(fā)器和MCU自帶的UART構(gòu)成，隨著各種類(lèi)型MCU的廣泛應(yīng)用，RS485的進(jìn)一步發(fā)展也具備了豐富的條件。由于傳統(tǒng)RS485僅為一種傳輸方式并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)議，在不同應(yīng)用前提下穩(wěn)定性差異較大，有效傳輸速率較低，已經(jīng)在不少場(chǎng)合被具有更高可靠性、更高速率和具備上層應(yīng)用協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)所取代，如CAN，PROFIBUS等，故基于傳統(tǒng)RS485的發(fā)展條件和存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了更加穩(wěn)定的硬件結(jié)構(gòu)和具有豐富功能的應(yīng)用協(xié)議，進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)、協(xié)議設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)和仿真。

1 硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)RS485總線(xiàn)多機(jī)通信應(yīng)用方式如圖1所示，帶有UART的設(shè)備通過(guò)差分信號(hào)收發(fā)器將TTL電平的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為差分方式送入總線(xiàn)，差分收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)可切換，總線(xiàn)上的各個(gè)設(shè)備以并聯(lián)的方式接入，在某一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備的差分收發(fā)器是發(fā)送狀態(tài)，其他設(shè)備均為接收狀態(tài)，所以必須通過(guò)某種合適的協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)上任意設(shè)備之間的通信，否則將會(huì)造成總線(xiàn)沖突。

圖1 傳統(tǒng)RS485總線(xiàn)多級(jí)通信Fig.1 Multi level communication of traditional RS485 Bus

這種應(yīng)用方式存在一些問(wèn)題[1-4]：（1）總線(xiàn)上掛載的設(shè)備數(shù)量與通信波特率和傳輸距離之間相互限制。由于總線(xiàn)上處于發(fā)送狀態(tài)的設(shè)備需要驅(qū)動(dòng)所有處于接收狀態(tài)的設(shè)備，而且總線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)為了克服信號(hào)反射，需要在總線(xiàn)兩端增加假負(fù)載，假負(fù)載會(huì)進(jìn)一步消耗差分發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力；（2）總線(xiàn)上每一個(gè)設(shè)備需要預(yù)設(shè)唯一地址，為了方便協(xié)議設(shè)計(jì)，甚至需要在每一個(gè)設(shè)備里預(yù)存總線(xiàn)上所有設(shè)備的地址。這2個(gè)問(wèn)題限制了系統(tǒng)擴(kuò)展和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的靈活性。本文研究解決了這2個(gè)問(wèn)題，并可以顯著降低誤碼率，提高通信可靠性。

改進(jìn)型RS485總線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)備采用串聯(lián)型總線(xiàn)接入方式和帶總線(xiàn)中繼功能的結(jié)構(gòu)來(lái)解決傳統(tǒng)RS485總線(xiàn)應(yīng)用的不足。總線(xiàn)上每個(gè)接入設(shè)備需要具有2個(gè)差分接收器、2個(gè)差分發(fā)送器和具有1個(gè)UART結(jié)構(gòu)的微控制器，差分接收器和發(fā)送器均帶有獨(dú)立的使能端，UART的輸出端在不使用時(shí)需要能夠配置為高阻或漏開(kāi)狀態(tài)；其中1個(gè)差分接收器和1個(gè)差分發(fā)送器的差分信號(hào)端并聯(lián)在一起，2個(gè)差分接收器的TTL電平輸出端和2個(gè)差分發(fā)送器的TTL電平輸入端連接在一起，并與設(shè)備內(nèi)的UART數(shù)據(jù)收發(fā)線(xiàn)連在一起；每個(gè)差分接收器和發(fā)送器的使能端分別與微控制器的GPIO口連接[5-6]。

圖2 改進(jìn)型RS485總線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of improved RS485 Bus

2對(duì)差分接收器、發(fā)送器分別構(gòu)成設(shè)備的2個(gè)總線(xiàn)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(hào)方向定義為下行方向，從右至左的信號(hào)方向定義為上行方向；總線(xiàn)設(shè)備通過(guò)接口A、B以串聯(lián)方式接入總線(xiàn)，即前方設(shè)備的接口B必須與后方設(shè)備的接口A連接。差分接收器和差分發(fā)送器共4個(gè)使能端，分別通過(guò)微控制器的4個(gè) GPIO 口 C1、C2、C3、C4控制，當(dāng)接收器的使能端為0時(shí)接收有效，發(fā)送器的使能端為1時(shí)發(fā)送有效。4個(gè)GPIO口共構(gòu)成該設(shè)備的7種有效狀態(tài)，即下行透?jìng)?、上行透?jìng)鳌⑾滦邪l(fā)送、上行發(fā)送、全線(xiàn)發(fā)送、下行接收、上行接收模式，其他狀態(tài)均不允許，如表1所示。

表1 改進(jìn)型RS485總線(xiàn)的傳輸模式Tab.1 Transmission mode of improved RS485 Bus

（1）當(dāng)A口接收和B口發(fā)送被使能、UART處于接收狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于下行透?jìng)髂Ｊ?，此時(shí)總線(xiàn)信號(hào)按下行方向傳送，信號(hào)從A口進(jìn)入設(shè)備轉(zhuǎn)為T(mén)TL電平被UART接收，同時(shí)通過(guò)B口重新轉(zhuǎn)為差分信號(hào)回到總線(xiàn)。

（2）當(dāng)A口發(fā)送和B口接收被使能、UART處于接收狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于上行透?jìng)髂Ｊ健Ｔ撃Ｊ脚c下行透?jìng)髂Ｊ焦δ芟嗤?，只是與總線(xiàn)信號(hào)按上行方向傳送。

（3）當(dāng)A口和B口發(fā)送都被使能、UART處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于全線(xiàn)發(fā)送模式，此時(shí)UART輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)A口和B口轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)分別向上行和下行方向傳輸。

（4）當(dāng)A口被關(guān)閉、B口發(fā)送被使能、UART處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于下行發(fā)送模式，此時(shí)UART輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)B口轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)向下行方向傳輸。

（5）當(dāng)B口被關(guān)閉、A口發(fā)送被使能、UART處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于上行發(fā)送模式，此時(shí)UART輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)A口轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)向上行方向傳輸。

（6）當(dāng)B口被關(guān)閉、A口接收被使能、UART處于接收狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于下行接收模式，此時(shí)下行方向總線(xiàn)信號(hào)從A口進(jìn)入設(shè)備轉(zhuǎn)為T(mén)TL電平被UART接收，但不會(huì)繼續(xù)向下行方向傳送。

（7）當(dāng)A口被關(guān)閉、B口接收被使能、UART處于接收狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于上行接收模式，此時(shí)上行方向總線(xiàn)信號(hào)從B口進(jìn)入設(shè)備轉(zhuǎn)為T(mén)TL電平被UART接收，但不會(huì)繼續(xù)向上行方向傳送。

在改進(jìn)型RS485設(shè)備的7種模式中，下行透?jìng)髂Ｊ?、上行透?jìng)髂Ｊ较喈?dāng)于傳統(tǒng)RS485的接收模式，全線(xiàn)發(fā)送模式相當(dāng)于傳統(tǒng)RS485的發(fā)送模式；而下行發(fā)送、上行發(fā)送、下行接收、上行接收這4種模式是傳統(tǒng)RS485所不具備的，通過(guò)這4種模式可以實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)設(shè)備數(shù)量自動(dòng)查詢(xún)和編址等功能。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

依托改進(jìn)設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)設(shè)備數(shù)量自動(dòng)查詢(xún)、自動(dòng)編址、數(shù)據(jù)通信、設(shè)備熱插拔4種功能。這些功能通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)和順序通信狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)備上電或復(fù)位時(shí)，總線(xiàn)首先進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)，通過(guò)該狀態(tài)使每個(gè)設(shè)備獲得總線(xiàn)上設(shè)備總數(shù)量和自身的總線(xiàn)地址（即該設(shè)備在總線(xiàn)上的位置），然后總線(xiàn)進(jìn)入順序通信狀態(tài)，設(shè)備按照總線(xiàn)地址的順序獲得數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)[5]。通信過(guò)程中，設(shè)備定時(shí)或通信發(fā)生故障時(shí)重新進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)，檢測(cè)是否有設(shè)備新增或斷開(kāi)，若檢測(cè)到總線(xiàn)設(shè)備發(fā)生變化即更新設(shè)備數(shù)量和編址，然后重新進(jìn)入通信狀態(tài)，通過(guò)該功能可應(yīng)對(duì)設(shè)備熱插拔等情況[7-8]。

2.1 查詢(xún)狀態(tài)

總線(xiàn)查詢(xún)狀態(tài)分為下位設(shè)備搜尋和下位授地址2個(gè)過(guò)程。進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)后首先進(jìn)行下位搜尋，即查詢(xún)總線(xiàn)下行方向是否還有相鄰設(shè)備，同時(shí)應(yīng)答來(lái)自上行方向設(shè)備的查詢(xún)指令。具體方式為設(shè)備定時(shí)切換成下行發(fā)送模式發(fā)送搜尋指令，發(fā)送時(shí)間約為100 μs，然后切換成上行接收模式接收下行方向傳來(lái)的應(yīng)答，持續(xù)5 ms；其他時(shí)間為下行接收模式，接收上行方向設(shè)備傳來(lái)的搜尋指令，若收到搜尋指令則立即轉(zhuǎn)為上行發(fā)送模式發(fā)送應(yīng)答。定時(shí)下行發(fā)送搜尋指令的周期為以100 ms為基數(shù)的隨機(jī)時(shí)間，循環(huán)進(jìn)行。由于下行接收模式的時(shí)間遠(yuǎn)大于其他階段時(shí)間，且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，有很大的概率可以接收到上行方向設(shè)備發(fā)送的搜尋指令。經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)后，若沒(méi)有搜尋到下位設(shè)備，則該設(shè)備置下行端部標(biāo)志；若沒(méi)有接收到搜尋指令，則置上行端部標(biāo)志；若既搜尋到下位設(shè)備又收到來(lái)自上位的搜尋指令，則置總線(xiàn)中部標(biāo)志，如圖3（a）所示。

下位授地址過(guò)程由上行端部標(biāo)志設(shè)備發(fā)起，上行端部設(shè)備首先設(shè)定自身地址為0，然后向下行方向相鄰的設(shè)備發(fā)送授地址指令，設(shè)其地址為1；相鄰設(shè)備收到授地址指令后，再向其下行方向設(shè)備發(fā)送授地址指令，設(shè)其地址為2，以此類(lèi)推，直到下行端部設(shè)備為止，如圖3（b）所示。由于在被授地址之前，總線(xiàn)設(shè)備絕大多數(shù)時(shí)間處于下行接收模式，可以收到來(lái)自上行方向的授地址指令；然后在向下行方向發(fā)送完授地址指令后，立即切換為上行接收模式；當(dāng)下行端部設(shè)備被授地址后，立即向上行方向發(fā)送通信啟動(dòng)指令，使總線(xiàn)設(shè)備進(jìn)入正常通信狀態(tài)，如圖 3（c）所示。

圖3 協(xié)議過(guò)程Fig.3 Protocol process

2.2 順序通信狀態(tài)

總線(xiàn)設(shè)備進(jìn)入順序通信狀態(tài)后，從地址為0的設(shè)備開(kāi)始依次發(fā)送數(shù)據(jù)，直到下行端部設(shè)備。具體過(guò)程如圖3（d）所示?？偩€(xiàn)設(shè)備收到通信啟動(dòng)指令后，設(shè)備0進(jìn)入下行發(fā)送模式，總線(xiàn)中部設(shè)備進(jìn)入下行透?jìng)髂Ｊ剑滦卸瞬吭O(shè)備進(jìn)入下行接收模式。設(shè)備0發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被其他所有設(shè)備接收；數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后設(shè)備0切換為上行接收模式，設(shè)備1切換為全線(xiàn)發(fā)送模式，其他設(shè)備依然為下行透?jìng)髂Ｊ胶拖滦薪邮漳Ｊ剑O(shè)備1發(fā)送數(shù)據(jù)也可被其他所有設(shè)備接收；發(fā)送完畢后設(shè)備1切換為上行透?jìng)髂Ｊ剑O(shè)備2切換為全線(xiàn)發(fā)送模式，以此類(lèi)推。每個(gè)具有數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)的設(shè)備以全線(xiàn)發(fā)送模式發(fā)送數(shù)據(jù)，其上行方向全部為上行透?jìng)髂Ｊ?，下行方向全部為下行透?jìng)髂Ｊ剑偩€(xiàn)上下兩端設(shè)備分別為上行接收模式和下行接收模式，發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被其他所有設(shè)備接收。

2.3 設(shè)備熱連接處理

總線(xiàn)設(shè)計(jì)允許在運(yùn)行狀態(tài)下，在兩端添加新設(shè)備。新設(shè)備接入總線(xiàn)端部并上電后進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)，而總線(xiàn)原有設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，其兩端設(shè)備的開(kāi)放端端口實(shí)際處于關(guān)閉狀態(tài)，不會(huì)相互影響?？偩€(xiàn)原有設(shè)備經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的順序通信循環(huán)后，兩端設(shè)備定期進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)，即原上行端部設(shè)備切換到下行接收模式，若上行方向有新設(shè)備接入，便會(huì)接收到新設(shè)備發(fā)出的搜尋指令；原下行端部設(shè)備切換到下行發(fā)送模式向下發(fā)送搜尋指令，若下行方向有新設(shè)備接入則會(huì)接收到搜尋指令應(yīng)答。兩端設(shè)備進(jìn)行新設(shè)備查詢(xún)過(guò)程中，原總線(xiàn)中部設(shè)備一直處于上行透?jìng)髂Ｊ?。若未發(fā)現(xiàn)有新設(shè)備接入，則原下行端部設(shè)備發(fā)送通信啟動(dòng)指令，重新進(jìn)行循環(huán)通信；若有新設(shè)備接入，則原下行端部設(shè)備發(fā)送復(fù)位指令，所有設(shè)備重新執(zhí)行查詢(xún)命令。

2.4 總線(xiàn)故障或熱拔除處理

總線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)下，若有設(shè)備拔除或發(fā)生總線(xiàn)斷線(xiàn)時(shí)，總線(xiàn)可重新進(jìn)行編址，重啟循環(huán)通信過(guò)程。這項(xiàng)處理有2種情況：若斷開(kāi)部分不包含具有數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)的設(shè)備，則當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)傳遞到斷開(kāi)點(diǎn)上行相鄰處設(shè)備并發(fā)送數(shù)據(jù)后，此設(shè)備將無(wú)法再向下傳遞數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)，即數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)指令無(wú)應(yīng)答，而該處上行方向設(shè)備皆為上行透?jìng)髂Ｊ交蛏闲薪邮漳Ｊ?，故該設(shè)備將向上行方向發(fā)送復(fù)位指令，使總線(xiàn)上其余設(shè)備復(fù)位并重新執(zhí)行總線(xiàn)查詢(xún)、編址過(guò)程；另一種情況是，若斷開(kāi)部分包含具有數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)的設(shè)備，則斷開(kāi)點(diǎn)處的設(shè)備在等待超時(shí)后，將向下行方向發(fā)送復(fù)位指令。由于下行方向設(shè)備都為下行透?jìng)髂Ｊ交蛳滦薪邮漳Ｊ?，故可以接收到?fù)位指令并重新執(zhí)行總線(xiàn)查詢(xún)、編址過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)型RS485總線(xiàn)硬件通過(guò)總線(xiàn)中繼功能，保證在總線(xiàn)設(shè)備較多，總距離較遠(yuǎn)的情況下得到較高的傳輸穩(wěn)定性和傳輸波特率；同時(shí)基于該硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可通過(guò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)設(shè)備自動(dòng)編址，順序通信、總線(xiàn)斷線(xiàn)可檢測(cè)和設(shè)備熱插拔處理，增加設(shè)備組網(wǎng)的靈活性。通過(guò)采用3臺(tái)由STM32F103RET6構(gòu)成的改進(jìn)型RS485總線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，采用與CAN總線(xiàn)相同的1M通信波特率和100 m的設(shè)備間距進(jìn)行重復(fù)數(shù)據(jù)通信，測(cè)試通信誤碼率低于10-10，優(yōu)于RS485、RS232、RS422等傳統(tǒng)通信方式，通信波特率可達(dá)到CAN總線(xiàn)的水平。改進(jìn)型RS485硬件可由STM32等具有高速UART設(shè)備的MCU構(gòu)成，通過(guò)移植包含尋址、通信、插拔處理功能的底層代碼，設(shè)計(jì)出具有協(xié)議通用性的智能儀表設(shè)備，使這種智能儀表既能保留RS485的優(yōu)勢(shì)又能具備現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的性能。

[1]趙亮，張吉禮.提高RS485總線(xiàn)通信可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，55（4）：393-398

[2]張潔，梅勇，苗世洪，等.提高RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性的措施[J].電工技術(shù)，2004（1）：31-33.

[3]張芳娥，衡君山，甄換強(qiáng).RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：2458-2459.

[4]于月森，葉王慶.RS-485總線(xiàn)可靠性應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（23）：274-276.

[5]馮子陵，俞建新.RS485總線(xiàn)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（20）：215-218.

[6]NI Haiyan，HU Chao，MA Changwang．Research on a 485-serial network architecture in intelligent uptown management[C]//Proc 2006 IEEE Conf on Mechatronics and Automation．Luoyang：IEEE Press，2006：400-405．

[7]王書(shū)根，王振松，劉曉云.Modbus協(xié)議的RS485總線(xiàn)通訊機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2011，26（5）：25-28.

[8]耿立中，王鵬，馬騁，等.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，48（8）：1311-1314.