嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)RS485的方向切換
RS485總線是工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的技術(shù)，是現(xiàn)代通信技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS485總線用于多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實(shí)現(xiàn)，采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，在接收端接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。根據(jù)RS485標(biāo)準(zhǔn)，傳送數(shù)據(jù)速率達(dá)100 kb/s時(shí)通信距離可達(dá)1200 m。
RS485在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。嵌入式系統(tǒng)可以通過RS485接口來控制終端設(shè)備。由于RS485是半雙工模式，因此發(fā)送和接收的方向切換需要我們的關(guān)注和研究。如果方向切換方式選擇不好可能會導(dǎo)致RS485驅(qū)動能力下降、軟件執(zhí)行效率下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)異常等問題。
本文分別給出硬件實(shí)現(xiàn)RS485方向切換和軟件實(shí)現(xiàn)RS485方向切換兩種方式。兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)，硬件方式控制起來比較簡單。軟件方式的驅(qū)動能力更好，但是和嵌入式平臺關(guān)系比較密切，不同的平臺都需要調(diào)試和驗(yàn)證。
1 硬件方式控制RS485方向
圖1所示為硬件控制RS485的電路圖。電路中使用2N7002LT1G MOS場效晶體管把UART_TXD_485這個(gè)MCU輸出的RS485發(fā)送信號邏輯取反后送給RS485芯片的RE/DEPIN腳?？刂频脑硎?，當(dāng)UART_TXD_485輸出低電平時(shí)RS485芯片的DE使能;輸出高電平時(shí)RE使能。默認(rèn)情況下UART_TXD_485是高電平，RS485芯片處于接收狀態(tài)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，UART_TXD_485上面有高低電平信號變化，低電平信號通過RS485芯片SP3072EENL/TR直接輸出，高電平信號通過外部上下拉電阻來控制。
但是這種方法的缺點(diǎn)是驅(qū)動能力可能不足，由于這種控制方法沒有完全發(fā)揮出RS485驅(qū)動芯片自身的驅(qū)動能力，輸出信號依賴于外部上下拉電阻，因此在復(fù)雜環(huán)境下，譬如很多負(fù)載需要控制時(shí)，就會存在驅(qū)動能力不足的問題。但是在一些簡單的環(huán)境或者軟件實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的平臺下，使用這種方法還是切實(shí)可行的。
圖1 硬件控制RS485電路圖
2 軟件方式控制RS485方向
2.1 驅(qū)動能力分析
在復(fù)雜的RS485控制環(huán)境下，用上面介紹的硬件方式來控制RS485的方向會存在比較突出的驅(qū)動能力不足的問題。修改上述控制方法，將TTL這一側(cè)的2線控制改為3線控制，就是將收發(fā)控制信號不用當(dāng)前的/TXD來控制，而從主控分出一根GPIO線來控制收發(fā)。
其驅(qū)動能力提高了25~50倍(不同廠家不同型號有差異)，如果輔以終端電阻靈活配置的措施，RS485的驅(qū)動能力將完全不是問題。表1是兩種控制方式驅(qū)動能力的對比。
2.2 軟硬件環(huán)境
圖2 軟件控制方法中的硬件設(shè)計(jì)
軟件控制方法采用圖2的硬件設(shè)計(jì)，圖中很突出的修改是使用MCU的GPIO來控制RE和DE.RS485芯片的供電采用5 V供電，提高驅(qū)動能力。RS485芯片的RE和DE控制使用MCU的GPIO輸出高低電平來控制。簡單來說就是，在RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過GPIO來控制傳輸方向。這里采用的MCU是TI公司的DM8168處理器來實(shí)現(xiàn)軟件的RS485切換功能。軟件版本使用UBoot2010.06和linux2.6.37。用軟件來實(shí)現(xiàn)RS485的收發(fā)，盡量要保證執(zhí)行效率;要達(dá)到上面的目的就需要對串口驅(qū)動進(jìn)行調(diào)試，使用串口驅(qū)動用到的軟件資源和串口控制器本身的硬件資源來實(shí)現(xiàn)RS485的控制。
表1 軟件和硬件控制方式驅(qū)動能力的對比
2.3 UBoot代碼修改
需要修改的文件：
?、?board/ti/ti8168/evm.c
?、?drivers/serial/ns16550.c
?、?include/configs/ti8168_evm.h
ti8168_evm.h文件中增加切換宏定義：
#define CONFIG_RS485_DIR_SW 1
evm.c文件中增加切換函數(shù)：
void rs485_dir_sw(int rs485_dir){
if (rs485_dir ==0)
_raw_writel(RS485_DIR_MASK, TI81XX_GPIO1_CLEARDATAOUT);
else
_raw_writel(RS485_DIR_MASK, TI81XX_GPIO1_SETDATAOUT);
}
s16550.c串口驅(qū)動文件中增加RS485方向控制：
void NS16550_putc(NS16550_t com_port, char c){
#ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW
rs485_dir_sw(1);
#endif
……//此處代碼省略
#ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW
while((serial_in(&com_port->lsr) & UART_LSR_TEMT) == 0)
rs485_dir_sw(0);
#endif
}
其中UART_LSR_TEMT表示發(fā)送BUF和移位寄存器為空。默認(rèn)情況下RS485是接收狀態(tài)，一旦要發(fā)送數(shù)據(jù)，就把RS485切換為發(fā)送狀態(tài)。發(fā)送完數(shù)據(jù)后，等待發(fā)送BUF和移位寄存器為空，然后切換回接收狀態(tài)，這里無需使用timeout。
2.4 Linux代碼修改
需要修改的文件：
?、?arch/arm/machomap2/bordti8168evm.c
② drivers/serial/omapserial.c
?、?include/linux/serial_core.h
serial_core.h文件，UART_port結(jié)構(gòu)體中增加set_rs485_direction函數(shù)指針，用于執(zhí)行RS485的方向切換void (*set_rs485_direction)(int rs485_dir);原本考慮在uart_ops結(jié)構(gòu)體中增加的，但是這個(gè)結(jié)構(gòu)體是常量類型，對它不作改動，因此加到了uart_port結(jié)構(gòu)體中。在該文件中添加相關(guān)宏定義和函數(shù)指針類型用于函數(shù)注冊：
#define SET_RS485_RX0
#define SET_RS485_TX1
typedef void (*set_rs485_direction_t)(int rs485_dir);//用于函數(shù)注冊
omapserial.c文件主要做了如下幾點(diǎn)改動：
?、?添加omap_rs485_dir_fun全局的函數(shù)指針。
statICset_rs485_direction_t omap_rs485_dir_fun[OMAP_MAX_HSUART_PORTS]={NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL}
?、?外部驅(qū)動利用omap_rs485_dir_fun_reg注冊函數(shù)對omap_rs485_dir_fun進(jìn)行賦值。
void omap_rs485_dir_fun_reg(int port_num, set_rs485_direction_t rs485_dir_fun){
if (port_num>=OMAP_MAX_HSUART_PORTS)
printk(KERN_ERR “%s, port_num error max is %d, but %d \n”, __FUNCTION__, OMAP_MAX_HSUART_PORTS-1, port_num);
omap_rs485_dir_fun[port_num]= rs485_dir_fun;
}
EXPORT_SYMBOL(omap_rs485_dir_fun_reg);
?、?serial_omap_probe函數(shù)中對控制程序中用到的up->port.set_rs485_direction進(jìn)行賦值。
up->port.set_rs485_direction= omap_rs485_dir_fun[pdev->id];
④ 默認(rèn)情況下RS485處于接收狀態(tài)。
?、?serial_omap_enable_ier_thri函數(shù)中把RS485切換為發(fā)送狀態(tài)。
static incline void serial_omap_enable_ier_thri(struct uart_omap_port *up){
if (!(up->ier & UART_IER_THRI)) {
/* rs485 dir change to tx */
if (up->port.set_rs485_direction != NULL)
up->port.set_rs485_direction(SET_RS485_TX);
……//此處代碼省略
}
}
?、?serial_omap_stop_tx函數(shù)中把RS485切換為接收狀態(tài)。
static void serial_omap_stop_tx(struct uart_omap_port *port){
……//此處代碼省略
if (up->ier & UART_IER_THRI) {
up->ier &= ~UART_IER_THRI;
serial_out(up, UART_IER, up->ier);
/* rs485 dir change to rx */
if (port->set_rs485_direction != NULL)
port->set_rs485_direction(SET_RS485_RX);
}
}
?、?transmit_chars更改一下，原先的代碼是當(dāng)沒有更多的字符要發(fā)送(環(huán)形緩沖為空)時(shí)需要關(guān)閉發(fā)送中斷，這時(shí)串口控制器發(fā)送BUF和移位寄存器中還是有數(shù)據(jù)的，這些數(shù)據(jù)串口控制器自動發(fā)送完成后才算結(jié)束，由于已經(jīng)關(guān)閉了發(fā)送中斷，因此發(fā)送結(jié)束后就沒有中斷產(chǎn)生了。但是RS485切換方向需要等到完全發(fā)送完成后才能進(jìn)行。因此對transmit_chars函數(shù)做了修改。調(diào)用serial_omap_stop_tx函數(shù)前判斷發(fā)送BUF和移位寄存器是否為空，如果為空就可以切換方向了。簡而言之，延后了發(fā)送中斷的關(guān)閉時(shí)間。
static void transmit_chars(struct uart_omap_port *up){
……//此處代碼省略
if (uart_circ_empty(xmit) || uart_tx_stopped(&up->port)) {
if (up->port.ops->tx_empty(&up->port)==0)
return;//added for last transmit
serial_omap_stop_tx(&up->port);
return;
}
……//此處代碼省略
if (uart_circ_empty(xmit)) {
if (up->port.ops->tx_empty(&up->port)==0)
return;//added for last transmit
serial_omap_stop_tx(&up->port);
}
}
?、?arch/arm/machomap2/boardti8168evm.c文件在ti8168_evm_init函數(shù)中調(diào)用omap_rs485_dir_fun_reg函數(shù)注冊RS485切換函數(shù)。
2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
上述軟件修改有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不增加硬件開銷;不增加和使用任何硬件資源;不增加軟件開銷;不影響軟件執(zhí)行效率;硬件控制是電信號控制，方向切換和TX綁定;軟件控制是整個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)完成發(fā)送后再進(jìn)行方向切換，控制實(shí)現(xiàn)上更加合理。
對軟件切換RS485做了基本的測試，情況如下：
?、?控制臺操作。整個(gè)啟動打印信息正常。UBoot和Kernel下控制效果和硬件控制一樣，可以很流暢地進(jìn)行命令的輸入和回顯，串口終端增加輸入字符間的延時(shí)后可以進(jìn)行配置的粘貼。內(nèi)核在115 200和38 400下分別進(jìn)行測試OK。
?、?內(nèi)核下加大負(fù)責(zé)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的發(fā)送。增加負(fù)載，開多個(gè)PINg包進(jìn)程(產(chǎn)生大量中斷)、Nand Flash的操作、CPU占有率接近100%條件下，通過RS485輸出大量數(shù)據(jù)，沒有亂碼，校驗(yàn)OK。
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