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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

RS485 總線有著布線簡(jiǎn)單、通信方便、價(jià)格低廉、通信距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、智能控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(diǎn)設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，單個(gè)節(jié)點(diǎn)信息量越來(lái)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(huì)增加誤碼率。在控制收發(fā)時(shí)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(shí)間到1 個(gè)合理范圍；聞海忠[9]采用3 種硬件方式實(shí)現(xiàn)收發(fā)控自動(dòng)切換，控制收發(fā)控時(shí)序單幀數(shù)據(jù)僅能減少不到毫秒級(jí)的時(shí)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(cè)協(xié)議（CSMA/CD）實(shí)現(xiàn)多路溫度采集器主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)；李周利等[11]采用主從節(jié)點(diǎn)控制、從節(jié)點(diǎn)自然優(yōu)先 級(jí)設(shè)置及3 種軟、硬件定時(shí)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(shí)現(xiàn)多主通信；韓路平等[13]采用監(jiān)聽和時(shí)間同步切換主從機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)兩主多從通信；但是前2 種多主通信增加了沖突檢測(cè)等硬件成本，后2 種本質(zhì)上在某個(gè)時(shí)刻仍是一主多從模式，對(duì)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(zhǎng)幀自動(dòng)調(diào)節(jié)下發(fā)頻度實(shí)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(shí)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(hào)反射干擾和趙亮等[16]提出的RS485 總線距離長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)數(shù)多、反射干擾、假起始信號(hào)等因素對(duì)通信可靠性的影響。

針對(duì)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(duì)列應(yīng)答策略來(lái)提高RS485 中心提高通信效率。

1 群呼和隊(duì)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(shí)隙時(shí)長(zhǎng)；從機(jī)采用隊(duì)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(gè)隊(duì)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(duì)列對(duì)應(yīng)時(shí)隙回發(fā)，平常信息在正常應(yīng)答隊(duì)列對(duì)應(yīng)時(shí)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(gè)隊(duì)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(duì)列中回發(fā)的從機(jī)正常應(yīng)答隊(duì)列不再回發(fā)，實(shí)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(tái)從機(jī)，初始化階段從1～n 逐臺(tái)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(gè)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(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)△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(duì)列。RS485 總線n 臺(tái)從機(jī)根據(jù)自身實(shí)時(shí)通信信息的重要和緊急程度分為優(yōu)先隊(duì)列和正常隊(duì)列。通信信息涉及故障、報(bào)警、數(shù)據(jù)急劇變化等情況需要及時(shí)發(fā)送的從機(jī)根據(jù)地址從小到大進(jìn)入優(yōu)先隊(duì)列，通信信息無(wú)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(duì)列，二者只能且必須選其一。

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

圖1 隊(duì)列應(yīng)答時(shí)隙分配圖Fig.1 Queue response slot allocation diagram

4）從機(jī)應(yīng)答策略。從機(jī)隊(duì)列應(yīng)答示意圖如圖2。主機(jī)群呼完畢后，優(yōu)先隊(duì)列中有從機(jī)（例如E2）排隊(duì)，經(jīng)過1 個(gè)等待時(shí)隙△τ，然后再等到從機(jī)對(duì)應(yīng)時(shí)隙X2應(yīng)答，應(yīng)答完畢后增加1 個(gè)等待時(shí)隙△τ，后續(xù)的隊(duì)列對(duì)應(yīng)時(shí)隙向后順延1 個(gè)時(shí)隙△τ，優(yōu)先隊(duì)列中還有從機(jī)就繼續(xù)在對(duì)應(yīng)時(shí)隙應(yīng)答，增加1 個(gè)等待時(shí)隙△τ 并順延，直到優(yōu)先隊(duì)列中從機(jī)應(yīng)答完畢；優(yōu)先隊(duì)列從機(jī)應(yīng)答完畢后經(jīng)過1 個(gè)等待時(shí)隙△τ，正常隊(duì)列中排隊(duì)從機(jī)開始在對(duì)應(yīng)時(shí)隙應(yīng)答（從E1～En），信息無(wú)變化時(shí)應(yīng)答信息簡(jiǎn)化，在優(yōu)先隊(duì)列已經(jīng)應(yīng)答的從機(jī)（例如E2）在正常隊(duì)列中不再出現(xiàn)，從機(jī)應(yīng)答后增加1 個(gè)等待時(shí)隙△τ 順延，直到正常隊(duì)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(duì)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(duì)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(shí)隙，從機(jī)根據(jù)自身信息緊急和重要程度排隊(duì)到優(yōu)先隊(duì)列和正常隊(duì)列有序應(yīng)答。這種策略具有以下4 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：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(wú)關(guān)，硬件不作任何改變；②采用群和隊(duì)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(shí)傳輸；④從機(jī)應(yīng)答信息無(wú)變化時(shí)，采用減少字節(jié)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化幀應(yīng)答，進(jìn)一步縮短輪詢周期。但是，群呼和隊(duì)列應(yīng)答策略也有1 個(gè)方面的劣勢(shì)，整個(gè)通信過程時(shí)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(duì)應(yīng)時(shí)序要求進(jìn)行應(yīng)答。

2 實(shí)際應(yīng)用

試驗(yàn)平臺(tái)為1 臺(tái)分站（主機(jī)E0）通過RS485 總線連接4 臺(tái)甲烷傳感器（從機(jī)E1～E4對(duì)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(tái)傳感器之間采用1 000 m 模擬電纜依次連接。試驗(yàn)平臺(tái)如圖3。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)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(shí)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(shí)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(gè)輪詢周期分站呼叫4 次，每臺(tái)傳感器各應(yīng)答1 次，共780 ms。

群呼和優(yōu)先應(yīng)答時(shí)序圖如圖4。

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

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

RS485 總線通信在采用群呼和隊(duì)列應(yīng)答策略時(shí)，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(jiǎn)化幀方式，整個(gè)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(duì)列應(yīng)答策略試驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)方式分析，可得出如下結(jié)論：①通過群呼和隊(duì)列順序應(yīng)答減少主機(jī)（n-1）次呼叫和等待時(shí)間，縮短輪詢周期；②通過設(shè)置優(yōu)先隊(duì)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(shí)間；③對(duì)應(yīng)答信息無(wú)變化的從機(jī)實(shí)施簡(jiǎn)化編碼，縮短應(yīng)答數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，進(jìn)一步縮短輪詢周期。

3 結(jié) 語(yǔ)

RS485 總線通信采用群呼和隊(duì)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(duì)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(duì)列順序應(yīng)答和簡(jiǎn)化編碼大幅度縮短輪詢周期提高通信效率，同時(shí)設(shè)置優(yōu)先隊(duì)列保障了緊急和重要從機(jī)信息的及時(shí)傳遞，但是整個(gè)通信過程具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，需要從機(jī)一直在線監(jiān)聽和遵循時(shí)序管理。