林云策，朱浩然，包志舟

（1.溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.溫州大學(xué)樂清工業(yè)研究院，浙江 溫州 325035；3.浙江人民電器有限公司，浙江 溫州 325035）

0 引言

RS-485總線具有接口芯片豐富、硬件成本低、操作方便、低速傳輸時傳輸距離遠等特點[1-2]，被廣泛應(yīng)用于電鍍電源、實驗室電源管理、電力終端設(shè)備管理等領(lǐng)域[3-4]。傳統(tǒng)的RS-485 總線應(yīng)用多為基于Modbus 協(xié)議的一主多從（一個主節(jié)點，多個從節(jié)點）通信方式，采用主節(jié)點輪詢從節(jié)點的方式進行通信[5-7]，優(yōu)點是通信方式簡單。但一主多從通信模式只適合規(guī)模不大或?qū)νㄐ艑崟r性要求不高的場景。隨著從機節(jié)點數(shù)的增加，主節(jié)點輪詢從節(jié)點的時間會變長[8-9]。因此。為了提高通信實時性，拓寬RS-485總線的應(yīng)用，多主訪問RS485通信方式被提出[10]。多主訪問RS485 通信方式是利用主節(jié)點可以主動發(fā)起通信的特點，取消了輪詢機制，采用通信節(jié)點主動變?yōu)橹鞴?jié)點進行主從通信的方式，大大提高了通信的實時性。但是因為只有一條總線，當(dāng)多個主節(jié)點發(fā)起通信時，在總線上會發(fā)生通信擁堵，如何解決總線上的通信擁堵是實現(xiàn)多主訪問RS485總線技術(shù)的關(guān)鍵[11]。

文獻[12]提出將RS-485 總線接收器的輸出端反相后接到CPU 的外部中斷管腳，用觸發(fā)中斷的方式判斷總線上是否有數(shù)據(jù)傳輸，同時結(jié)合定時器中斷判斷總線是否空閑。但需要軟件定時器的配合，且對并發(fā)節(jié)點的處理只是簡單采取隨機延時后重發(fā)，總線利用率不高。文獻[13]提出利用硬件電路實現(xiàn)，具體的電路由兩個對稱RS485 總線接收器構(gòu)成，需要進行合適的阻抗匹配，兩個接收器的輸出相與后得到總線狀態(tài)信號。該方案電路復(fù)雜，容易引入故障點，且?guī)лd能力較弱，不能超過16個節(jié)點。文獻[14]提出利用74HC123 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成總線狀態(tài)標(biāo)志，判定當(dāng)前總線是否為忙。該方案單穩(wěn)態(tài)時間設(shè)計比較依賴固定的通信波特率，缺乏對并發(fā)主節(jié)點的有效的處理方式，導(dǎo)致總線利用效率仍然不高。文獻[15]提出利用定時器進行總線偵聽，再對總線進行改造，使之具備邏輯“與”功能，配合具有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀解決多節(jié)點并發(fā)問題。該方案相對優(yōu)秀，總線利用率較高但需要用到定時器資源。文獻[16]提出一種令牌環(huán)機制，主節(jié)點按一定順序進行通信，需要緊急通信的主節(jié)點在一定搶發(fā)時間內(nèi)爭搶總線，并發(fā)的主節(jié)點，按不同優(yōu)先級重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，競爭總線。該方案適合規(guī)模小、數(shù)據(jù)量小的場合。

以上各方案都可以基本實現(xiàn)多主訪問的功能，但是都有各自的局限性，針對不同的場合都有各自的用處。針對現(xiàn)有的方案，本文提出了一種不占用軟件資源、帶載能力強、總線利用高的新型的可支持多主訪問的RS-485總線技術(shù)方案。

1 整體設(shè)計方案

1.1 多主訪問RS485存在的技術(shù)問題

多主多從模式設(shè)有多個主節(jié)點，隨機發(fā)起通信的多個主節(jié)點容易在總線上出現(xiàn)通信擁擠。為了避免這種情況，主節(jié)點的主動通信需要合理規(guī)劃，有效化解沖突。為此，節(jié)點需要滿足兩點要求。第一，主節(jié)點只有在檢測到總線空閑的時候，才有權(quán)限向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，進行有效通信。第二，偵聽總線空閑雖然避免了主節(jié)點在總線忙時發(fā)送數(shù)據(jù)。但無法避免同時檢測總線空閑的主節(jié)點一起搶占總線，造成通信混亂。因此需要對多個并發(fā)的主節(jié)點進行仲裁，選中唯一可通信節(jié)點。

針對第一點，需要設(shè)計出偵聽總線空閑機制，通知主節(jié)點具備發(fā)送條件。針對第二點，需要設(shè)計出并發(fā)沖突節(jié)點競爭機制。

對偵聽總線空閑機制的設(shè)計，是抓主總線空閑的特征，即總線空閑時，總線信號不變；總線繁忙時，總線信號是變化的。因此可以根據(jù)這一特點，利用不同的技術(shù)手段和資源，根據(jù)需求設(shè)計總線空閑偵聽機制。

多個并發(fā)主節(jié)點在總線發(fā)生沖突時，會造成總線電平的不可預(yù)測混亂，導(dǎo)致節(jié)點接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送端不一致。是否對發(fā)生沖突的總線規(guī)律化處理，沖突節(jié)點以何種方式再次發(fā)送是并發(fā)沖突節(jié)點競爭機制設(shè)計的關(guān)鍵問題。本文將偵聽總線空閑機制和并發(fā)沖突節(jié)點競爭機制合稱為沖突檢測機制。

1.2 多主訪問RS485總線設(shè)計方案

工程技術(shù)方案的設(shè)計除了解決功能性要求外，還需要考慮軟硬件資源配置的問題。本文針對偵聽總線空閑機制和并發(fā)沖突節(jié)點競爭機制的關(guān)鍵問題，在只添加少量硬件資源，不占用軟件定時器資源的條件下，提出了可靠性高的沖突檢測硬件電路，再配合特定的發(fā)送數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)可支持多主訪問的RS-485總線通信方式。

2 多主訪問RS485硬件電路設(shè)計

2.1 RS-485接口介紹

常用485接口芯片的接口如圖1所示。該芯片可以將實現(xiàn)USRT 串口電平格式和RS485 總線的電平格式相互轉(zhuǎn)化。該芯片一共有8 個引腳其分別為接收數(shù)據(jù)輸出腳RO、接收控制腳RE、發(fā)送控制腳DE、發(fā)送數(shù)據(jù)輸入腳DI、接受數(shù)據(jù)輸出腳和一對總線接口引腳A、B 所構(gòu)成[17]。RS485 采用差分傳輸即通過AB 間的電壓差確定。發(fā)送控制腳DE 為低電平時，A、B 口為高阻態(tài)；發(fā)送控制腳DE 高電平時，使能發(fā)送控制腳，令A(yù)、B 解除高阻態(tài)。對于接受數(shù)據(jù)控制腳也同理，不過控制邏輯相反。RS-485引腳詳細的功能真值表1所示。

表1 輸出真值表

圖1 RS-485接口

2.2 沖突檢測電路

本文是利用485 芯片的AB 口高阻態(tài)特點，并配合少量的邏輯門電路，實現(xiàn)沖突檢測硬件電路，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。對485接口芯片的數(shù)據(jù)接收控制腳位一直使能。

圖2 沖突檢測電路結(jié)構(gòu)

沖突檢測硬件電路的左邊接MUC，RS-485 為控制信號，TXD 為串口輸出，GATE 為沖突檢測信號。該沖突檢測的電路的原理是在當(dāng)總線發(fā)生沖突時，GATE 會出現(xiàn)低電平；當(dāng)總線空閑時，GATE會出現(xiàn)高電平。

輸入環(huán)節(jié)是由1個與非門構(gòu)成，如圖3所示。與非門的兩個輸入分別是RS485 控制信號和串口輸出TXD，與非門的輸出連接485 芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送控制腳。串口輸出TXD 和485 接口芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送腳DI 直連。輸入環(huán)節(jié)功能真值表如表2 所示。由表可知，輸入環(huán)節(jié)的特點是當(dāng)DIS_RS485 信號為邏輯“0”時實現(xiàn)485 通信；當(dāng)DIS_RS485 信號為邏輯“1”時可以令串口輸出的邏輯“1”，不是通過485 芯片的邏輯電平“1”的輸出，而是通過A、B 總線上的電阻來實現(xiàn)邏輯“1”的輸出。而當(dāng)有節(jié)點出現(xiàn)邏輯“0”時總線電平被拉低，變成邏輯“0”。這種輸出方式可以保證總線上多個節(jié)點通信，不會破壞總線電平標(biāo)準(zhǔn)，有很強的帶載能力，且可以據(jù)此對節(jié)點進行優(yōu)先級設(shè)置。

表2 輸入環(huán)節(jié)功能真值表

圖3 輸入環(huán)節(jié)電路

當(dāng)總線上有兩個節(jié)點J1、J2 分別輸出USRT 串口格式字節(jié)0xFC 和0xEF 時，總線上收到的是0xEC。如圖4所示。

圖4 多節(jié)點總線沖突情況

輸出環(huán)節(jié)是由1 個非門和1 個與非門組成，輸出環(huán)節(jié)的電路如圖5所示。

圖5 輸出環(huán)節(jié)電路

輸出環(huán)節(jié)的輸入是串口輸出TXD 和485 接收數(shù)據(jù)輸出腳RO。輸出環(huán)節(jié)的作用是利用總線數(shù)據(jù)和節(jié)點自身的輸出判定總線是否忙，功能真值如表3 所示。由表可以看出輸出環(huán)節(jié)的功能是類同或門。因為輸入環(huán)節(jié)的存在中，在本電路中第二種情況不會發(fā)生。當(dāng)本節(jié)點收發(fā)邏輯電平不一致，即GATE為邏輯0時，說明當(dāng)前總線不空閑（僅識別GATE為1，不能說明總線空閑）。利用GATE電平的變化的規(guī)律，MUC 通過一定的軟件手段，可以判定總線是否為忙。

表3 輸出環(huán)節(jié)功能真值表

沖突檢測電路對傳統(tǒng)的485 總線和控制機制進行了改造。將傳統(tǒng)485 通信的邏輯“1”的電平輸出，改為高阻態(tài)偏置電壓輸出，實現(xiàn)了總線沖突時高電平保持，出現(xiàn)低電平拉低的規(guī)律化特征，并實現(xiàn)節(jié)點輸出數(shù)據(jù)和總線數(shù)據(jù)的硬件比較。

2.3 工作機制

MUC 對沖突檢測電路的GATE 口進行檢測，只檢測到邏輯電平“1”時，授予節(jié)點通信權(quán)限；一旦檢測到邏輯電平“0”，該節(jié)點需要重新申請通信權(quán)限。

MUC 的一個外部中斷口接GATE 口，采用下降沿觸發(fā)或低電平觸發(fā)中斷，通過中斷對節(jié)點進行授權(quán)。

為了更好地偵聽總線是否空閑，且不影響總線通信，在發(fā)送數(shù)據(jù)引腳上額外增加上1 個發(fā)送控制電路如圖6 所示。利用1 個NPN 三極管，控制485 芯片的數(shù)據(jù)輸出控制腳，在偵聽總線時，SEND_DIS輸出高電平，拉低發(fā)送數(shù)據(jù)控制腳DE的電平，防止查詢總線幀對總線的影響。查詢總線幀是節(jié)點串口以總線485通信最低波特率的一半的查詢字節(jié)0xFF。因為串口發(fā)送字節(jié)時，存在一個低電平的起始位，所以查詢總線幀可以優(yōu)先檢測出，總線上是否有通信發(fā)生。若在發(fā)送查詢數(shù)據(jù)幀期間，GATE口出現(xiàn)低電平則說明系統(tǒng)忙，否則總線空閑。當(dāng)總線上在兩個字節(jié)波特率時間內(nèi)沒有字節(jié)發(fā)送時，說明不存在有效通信，所以可以認(rèn)定總線空閑。

圖6 發(fā)送控制電路

獲得發(fā)送權(quán)限的主節(jié)點按485 通信波特率發(fā)送優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀，GATE 腳出現(xiàn)低電平的主機退出競爭，繼續(xù)進行偵聽總線，申請發(fā)送權(quán)限。同時發(fā)起通信的主節(jié)點按優(yōu)先級獲得發(fā)送權(quán)限。

優(yōu)先級和二進碼的換算關(guān)系如式（1）所示。

式中：n為優(yōu)先級數(shù)；j為參與計算的bit-1 位數(shù)；i為先發(fā)送比特位數(shù)（i=0，1，2，…，j），數(shù)字越小越早發(fā)送；ai為對應(yīng)比特位上的取值。

一個字節(jié)的高位5 位取相同位數(shù)，只計算低3 位比特位，按右邊為低位先發(fā)設(shè)計的優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀的形式如表4所示。

表4 計算3個比特位的地址碼

每個節(jié)點的狀態(tài)都是在偵聽總線態(tài)，發(fā)送優(yōu)先幀態(tài)，485態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖7所示。

圖7 節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)化

本機制不需要用到定時器資源，硬件實現(xiàn)沖突檢測。

3 多主訪問485軟件設(shè)計

3.1 主控芯片要求

本本設(shè)計方案對主控芯片的要求偏向IO 口資源，而不占用定時器資源。這對一些對定時器資源有要求的節(jié)點事務(wù)，且主控定時器資源少的主控有明顯的優(yōu)勢。例如像51 單片機這種低成本、定時器資源少的主控，一旦存在定時查詢事務(wù)，定時器資源緊張的情況下，采用本方案就可以明顯緩解緊張資源。這為工程上提供了一種新的方案選擇。

3.2 通信狀態(tài)轉(zhuǎn)化程序設(shè)計

對總線偵聽程序的設(shè)計重點是在總線空閑判斷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。總線空閑判斷要和各個狀態(tài)轉(zhuǎn)換相匹配。狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要是沖突檢測電路進行功能配置和必要的數(shù)據(jù)幀配合。

節(jié)點的起始狀態(tài)為偵聽總線態(tài)，默認(rèn)具有通信權(quán)限。當(dāng)節(jié)點有通信需求時，才會發(fā)送查詢總線幀。一般先配置沖突檢測電路功能令SEND_DIS=1，DIS_RS485=1，再開啟外部中斷，然后配置串口發(fā)送查詢總線幀。外部中斷的優(yōu)先級必須高于串口中斷的優(yōu)先級。在外部中斷函數(shù)中，對節(jié)點進行授權(quán)剝奪。在發(fā)送完查詢總線幀后且通信權(quán)限未被剝奪，節(jié)點進入發(fā)送優(yōu)先幀態(tài)。

進入發(fā)送優(yōu)先幀態(tài)的節(jié)點，也是先配置沖突檢測電路功能，令SEND_DIS=0，DIS_RS485=1。然后發(fā)送優(yōu)先級幀，發(fā)送完成后，再查詢節(jié)點通信權(quán)限。如果仍然具有發(fā)送權(quán)限，則進入485 通信態(tài)，否則退回總線幀聽?wèi)B(tài)，并恢復(fù)其通信權(quán)限，進行新一輪的總線查詢。

進入485 通信態(tài)的節(jié)點，配置相應(yīng)的沖突檢測電路功能即令SEND_DIS=0，DIS_RS485=0。進行485 通信，通信結(jié)束后可以關(guān)閉通信或者總線偵聽?wèi)B(tài)，等待下一次通信需求的發(fā)起。程序設(shè)計的流程如圖8所示。

圖8 程序設(shè)計流程

4 實驗驗證和結(jié)果分析

本文通過MATLAB Simulink 平臺對方案進行邏輯驗證了。實驗平臺對485總線AB 總線進行了合理簡化，一個節(jié)點的電位模擬總線信號，具體接法見圖9。用1個受控的開關(guān)模擬高阻態(tài)，開關(guān)的控制腳模擬485 芯片數(shù)據(jù)發(fā)送控制腳DE，開關(guān)斷開為高阻態(tài)，開關(guān)閉合總線電平由受控電壓源決定，即正常485通信。沖突檢測電路的3個與非門用了自帶的模型。節(jié)點的主控master 的控制邏輯用MATLAB FUNCTION 函數(shù)進行模擬。Change 引腳為波特率切換信號。兩個方波的頻率模擬波特率，輸入master 模塊的baud 腳。Trig 腳模擬數(shù)據(jù)發(fā)送請求，高電平為請求數(shù)據(jù)發(fā)送，低電平無請求。Byte 腳輸入優(yōu)先級地址幀。Byte_485 模擬后續(xù)通信數(shù)據(jù)。其他腳和上文描述的意義相同。

圖9 多主訪問485總線方案

通過上述平臺以兩個主節(jié)點為例模擬本方案多節(jié)點錯時通信、多節(jié)點并發(fā)通信工況。

偵聽總線空閑通的模擬情況如圖10所示。由圖10可知當(dāng)節(jié)點J1 正在通信的時候，節(jié)點J2 發(fā)送了總線查詢幀，當(dāng)其遇到了J1通信過程中的低電平時，J2的GATE2腳迅速被拉低，并且重新發(fā)送總線查詢幀，并重復(fù)上述過程。一直到節(jié)點J1 完成通信后，節(jié)點J2 檢測總線空閑，才進入正常的通信。

圖10 多節(jié)點錯時通信

由圖11 可知節(jié)點J1 和節(jié)點J2 同時發(fā)起通信要求，同時監(jiān)聽到總線空閑，并發(fā)進入發(fā)送優(yōu)先幀態(tài)。由于節(jié)點J2的優(yōu)先級比J1高，節(jié)點J1首先發(fā)送的電平為高電平遇到節(jié)點J2 發(fā)送的低電平后，GATE1 電平被迅速拉低，節(jié)點J1 退出競爭，進入總線偵聽?wèi)B(tài)，而節(jié)點J2 競爭成功，繼續(xù)通信。直到節(jié)點J2通信結(jié)束后，節(jié)點J1檢測到總線空閑，并獲得總線通信權(quán)，開始正常通信。

圖11 多節(jié)點并發(fā)通信

從仿真結(jié)果可以看出當(dāng)存在節(jié)點發(fā)起通信請求兩個通信字節(jié)時間后，必定有節(jié)點進行有效通信，體現(xiàn)了本方案總線高利用率和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文對多主訪問的RS-485總線技術(shù)進行了研究，針對總線空閑偵聽機制和多節(jié)點并發(fā)競爭機制兩個問題，提出了基于邏輯門的沖突檢測電路和相應(yīng)的軟件算法，并在MATLAB Simulink 搭建了方案模型，并進行不同工況的仿真。仿真結(jié)果證明了本方案的可行性。此外，本方案還具備以下優(yōu)點。

（1）在不采用定時器資源下，具備有高效的總線空閑偵聽機制，支持大規(guī)模節(jié)點的優(yōu)點，為定時器資源少的主控芯片，提供了新的多主訪問RS485總線技術(shù)方案。

（2）在節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)過程中就自動完成了總線競爭而不被打斷，無需強化沖突，浪費總線資源，大大提高了總線利用率。

本文為擴展RS-485多主訪問總線技術(shù)的應(yīng)用做出了一定的貢獻。