引言
在嵌入式系統(tǒng)中，多個孤立節(jié)點之間的通信越來越重要，尤其是物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，多節(jié)點間通信已經(jīng)成為必不可少的功能。由此出現(xiàn)了許多通信手段，如RS-232、RS-485、CAN總線、ZigBee等，綜合考慮性能和成本，RS-485通信無疑是性價比最高的通信方式。因此探究高效、實用的多機通信方案具有重大的意義。
1 系統(tǒng)框圖
RS-485多機通信結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。若干個RS-485節(jié)點通過總線連接，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點輪詢訪問索要數(shù)據(jù)，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以動態(tài)地配置IP地址，以便上位機可以通過以太網(wǎng)控制網(wǎng)關(guān)節(jié)點，從而獲得每個RS-485終端節(jié)點的數(shù)據(jù)。圖1中C節(jié)點為控制節(jié)點，具有RS-485通信功能，T節(jié)點為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，除了RS-485功能外，還具有以太網(wǎng)功能，其作用就是將C節(jié)點的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)功能傳送給上位機。
2 硬件設(shè)計
本文采用新唐科技公司的Cortex-M054探究RS-485多機通信協(xié)議。Cortex-M054有兩個UART，均可以配置成RS-485模式，此時Cortex-M054通過RTSX引腳自動控制RS-485通信方向。
RS-485通過差分傳輸，A和B兩根信號線鉸鏈在一起來抵消各自的干擾。當A、B信號的電壓差大于200mV時，視為邏輯1；當B、A信號的電壓差大于200 mV時，視為邏輯0。
RS-485硬件原理圖如圖2所示。整套RS-485電路獨立供電，通過光電耦合器TLP781B+，與系統(tǒng)其他部件分開，以此來隔離干擾。和CAN總線相同，在機群的兩端(第一個節(jié)點和最后一個節(jié)點)，必須加上匹配電阻，吸收反射信號，大小為75 Ω左右。中間節(jié)點則不需要如此，因此留出了R1的位置，當節(jié)點位于機群兩端的時候，則焊接上R1，這種方式大大地增強了電路的靈活性。
考慮電路的安全性，添加了TVS管，從而達到抗雷擊的效果。熱敏電阻相當于自恢復(fù)的保險絲，當電流過大時，它的阻值會變大，起到保護電路的作用。
3 軟件協(xié)議
3．1 協(xié)議格式
Modbus協(xié)議按功能可以劃分為：地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼、CRC校驗碼。而在RTU方式下，采用CRC循環(huán)冗余校驗，具體格式如圖3所示。
Modbus協(xié)議長度根據(jù)用戶需求自己設(shè)定，地址碼標識終端地址，即和網(wǎng)關(guān)節(jié)點通信的從機地址。功能碼則是主機告訴從機要執(zhí)行什么功能。數(shù)據(jù)碼長度由用戶自己確定，最后根據(jù)前3個功能字段，生成兩個字節(jié)的CRC校驗碼，用來驗證前面的字段是否存在傳輸錯誤。
3．2 CRC生成算法
CRC算法分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)的適合片內(nèi)RAM非常有限的MCU，而動態(tài)的適合RAM空間相對比較寬裕的MCU。CRC校驗碼生成步驟如下：
①初始化寄存器內(nèi)容為0xffff。
②提取第一個字節(jié)數(shù)據(jù)和寄存器內(nèi)容相異或。
③檢測最低有效位(LSB)，如果LSB為1，寄存器單獨和預(yù)置值異或；如果LSB為0，則不進行任何操作，然后將結(jié)果向LSB方向移動，最高有效位以0填充。
④重復(fù)第③步8次，直到最后一位(第8位)完成。
⑤提取下一個8位字節(jié)，重復(fù)步驟③、④的操作，等待所有字段都執(zhí)行完，最終寄存器中的值就是所求的CRC校驗碼。
上述步驟中，如果預(yù)置值在整個過程中不變，則為靜態(tài)的CRC校驗；在動態(tài)的CRC校驗中，存在一個動態(tài)表，預(yù)置值每次都根據(jù)動態(tài)表變化，所以準確性更高，而動態(tài)表要開辟一個較大的空間來存儲。所以，根據(jù)MCU的RAM大小決定使用動態(tài)校驗還是靜態(tài)校驗。算法結(jié)束后，寄存器中存人的就是前N個字節(jié)的CRC校驗碼，運用該算法，不需要事先知道協(xié)議的整體長度，最后都同樣生成兩個字節(jié)長度的校驗碼，故可移植性好、通用性強。
3．3 自動地址識別模式通信
自動地址識別模式是RS-485經(jīng)典模式，通過設(shè)置Cortex-M054的狀態(tài)寄存器，可使UART工作在此模式下。節(jié)點在接收到地址字節(jié)時，判斷地址字節(jié)數(shù)據(jù)是否與UA_ALT_CSR[ADDR_MATCH]值相匹配，如果匹配，表示網(wǎng)關(guān)節(jié)點要與此終端通信，故接收下面網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)字節(jié)。同時，地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)都會被存入UART的FIFO中，否則忽略所有字節(jié)，既不產(chǎn)生中斷，也不存入FIFO，直到匹配。
串口通信中由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位4部分組成。當奇偶校驗位為0時，表示傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)字節(jié)；當它為1時，表示傳輸?shù)氖堑刂纷止?jié)。Cortex—M054的UA_ALT_CSR是一個32位的寄存器，其ADDR_MATCH用8位來表示，故自動地址識別模式最大從機數(shù)只支持256個節(jié)點。它的優(yōu)點是：由于RS-485所有從機掛載在一根總線上，故網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，只有地址與自己匹配的節(jié)點才會響應(yīng)，其他節(jié)點可以正常執(zhí)行自己原先的任務(wù)而不被打擾，系統(tǒng)整體效率高。缺點是從機只能被主機輪詢時才能發(fā)送信息，不能主動和主機通信；一個總線上只能掛載256個節(jié)點。
3．4 普通模式通信
普通模式可以配置為接收所有數(shù)據(jù)，也可以選擇性地忽略數(shù)據(jù)，直到接收到地址字節(jié)。為了更加靈活地利用協(xié)議通信，將其設(shè)置為接收所有數(shù)據(jù)，即只要網(wǎng)關(guān)節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，那么總線上的所有節(jié)點都會收到數(shù)據(jù)，再根據(jù)協(xié)議解析內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的動作，接地流程圖如圖4所示。
Cortex—M054內(nèi)部有4 KB的Data Flash給用戶存儲數(shù)據(jù)，故將節(jié)點的地址存入Flash中。當系統(tǒng)上電復(fù)位后，先從Flash中讀出節(jié)點的地址，存入全局變量address中。當收到數(shù)據(jù)包之后，進行CRC校驗，如果正確就接收，再根據(jù)協(xié)議解析地址地段，其值與address比較，以此判定此包是否屬于自己。
自動地址識別模式是由芯片自動篩選地址，而此處需要軟件判斷。因此，地址長度可以由用戶自己設(shè)定。
3．4．1 數(shù)據(jù)混亂
上述方法存在數(shù)據(jù)混亂的隱患。如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點與終端節(jié)點通信過程都是用N個字節(jié)進行，那么不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)紊亂問題。但若假設(shè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送命令用N個字節(jié)，而終端節(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點回復(fù)數(shù)據(jù)時，用M(M>N)個字節(jié)，此時總線上的其他終端節(jié)點都會收到這M個字節(jié)。此時，會認為是網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)出的，所以只解析前N個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么在FIFO中就剩下了(M—N)個字節(jié)，即此時FIFO中并不為空。若網(wǎng)關(guān)節(jié)點此時再與其他任意一個終端節(jié)點通信時，程序會默認先讀出殘留的(M—N)個字節(jié)數(shù)據(jù)，就會造成數(shù)據(jù)紊亂，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再難與其他節(jié)點正常通信。
解決方法是在每次有數(shù)據(jù)進入FIFO中后，觸發(fā)中斷，將所有的數(shù)據(jù)都讀出，而只解析前N個字節(jié)。因為在整個RS-485系統(tǒng)中，只有網(wǎng)關(guān)節(jié)點才能與終端節(jié)點通信，各個終端節(jié)點之間不可以通信，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點與終端節(jié)點通信是N個字節(jié)。一次讀空FIFO的目的就是清空FIFO中的無效數(shù)據(jù)。
3．4．2 改進型RS-485協(xié)議
RS-485通信的最大缺點就是主從式的通信方式，從機只有在收到主機的命令后才可以與之通信。而CAN總線的每個節(jié)點可以在任意時刻接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通過其仲裁體制，避免數(shù)據(jù)沖突，但是CAN總線的成本相對較高，對于實時性和安全性要求不高的場合，不適宜用CAN總線通信。
借鑒CSMA／CD協(xié)議，本文提出改進型的通信方式。設(shè)置全局變量nesting，如果進入一次RS-485中斷，則nesting加1。在終端需要向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，置nesting為0，延遲(address×10)ms；如果總線上沒有數(shù)據(jù)通信，nesting為0，此時節(jié)點可以主動向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，表示總線上繁忙，則繼續(xù)延遲(address)ms。
嘗試K次，K的大小根據(jù)用戶需求設(shè)定。若此終端節(jié)點已經(jīng)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點的輪詢范圍之內(nèi)，終端向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)為緊急事件包，則K的值應(yīng)該盡量小；若主動發(fā)送失敗，可以等待節(jié)點被輪詢之時，再將此數(shù)據(jù)發(fā)送出去。若此終端節(jié)點不在網(wǎng)關(guān)節(jié)點的輪詢范圍之內(nèi)，是新加入的節(jié)點，則主動發(fā)送信息的目的是告訴網(wǎng)關(guān)，自己是新節(jié)點，需要加入總線系統(tǒng)中，此時K值應(yīng)該盡量大，以保證新節(jié)點能夠不在上位機的協(xié)助下，自動地加入總線系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的靈活性。終端發(fā)送流程圖如5所示。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點不能輪循完一遍之后，又立即進行下一次輪詢。這樣，總線上一直都會是忙碌狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點必須在輪詢完一次之后，暫停L秒，這個空隙時間就是留給終端主動向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。L不宜過大，否則會大大降低系統(tǒng)整體效率，L的選取與系統(tǒng)共有多少終端節(jié)點且每個終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點通信時間有關(guān)。
使用普通模式進行通信，優(yōu)點是RS-485通信應(yīng)用靈活，可以支持更多的節(jié)點掛載在總線上；可以改進RS-485通信方式，自動地址識別模式無法監(jiān)聽總線是否繁忙。缺點是各個節(jié)點的工作量增大，將頻繁解析指令，系統(tǒng)整體效率降低。
結(jié)語
在使用RS-485方式通信時，選取哪種方式進行通信，需要根據(jù)不同場合而定。傳統(tǒng)的自動地址識別模式，適用于嚴格的主從通信系統(tǒng)，可靠性高，系統(tǒng)整體效率高；而普通模式靈活性較好，但是系統(tǒng)整體效率會降低。所以，要因地制宜，選擇當前場合最適合的方式。
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