基于CORTEX-M3的多機通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：系統(tǒng)以STM32F103作主控單元，使用RS485通信總線，制定了一套通信協(xié)議，從軟件角度保證了總線仲裁機制的完整，保證了測控網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計論述過程中，根據(jù)RS485通信總線的特點，論述了系統(tǒng)中多機通信設(shè)計的原理及過程，結(jié)合在系統(tǒng)調(diào)試過程中遇到的問題，提出了在使用RS485過程中的注意事項。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，測控設(shè)備逐漸智能化。企業(yè)信息化需求在設(shè)備選型時一個必要條件就是設(shè)備要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。RS232接口能夠?qū)崿F(xiàn)點對點的通信方式，但不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，且遠距離傳輸性能抗干擾性差。RS485接口解決了此問題，其數(shù)據(jù)傳輸最高速率可達到10 Mbps，且接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強，抗噪性好，適合于遠距離傳輸。RS485總線最大可以支持32個節(jié)點，通過特制芯片，最大可以支持400個節(jié)點，因此，RS485非常適合于分布式測控系統(tǒng)通信領(lǐng)域。但RS485只能代表通信的物理介質(zhì)，數(shù)據(jù)的傳輸訪問必須開發(fā)相應(yīng)的程序。

CORTEX—M3是基于ARM7架構(gòu)的處理器內(nèi)核，采用哈佛架構(gòu)，其功耗低，性價比高。在多機通信網(wǎng)的設(shè)計中，經(jīng)過需求分析，提出并設(shè)計了一種基于CORTEX—M3的多機通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計中，CORTEX—M3用做系統(tǒng)終端，作為主機和從機。從機負(fù)責(zé)前端系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)測量，主機作為控制端，負(fù)責(zé)各從機測量信息的采集，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對從機的控制。在系統(tǒng)的設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)傳輸接口采用RS485，根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)特點，設(shè)計中自制了RS485多機通信協(xié)議，開發(fā)了基于CORTEX—M3處理器的通信接口程序，程序移植性好，可以移植到CORTEX—M3內(nèi)核的通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。經(jīng)過測試，系統(tǒng)通信性能良好，無數(shù)據(jù)丟失及網(wǎng)絡(luò)死鎖現(xiàn)象。

1 RS485介紹

RS-485標(biāo)準(zhǔn)是為彌補RS-232通信距離短、遠距離通信的抗干擾性能差等缺點而產(chǎn)生的。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖1所示。

圖2中，RS485發(fā)送器中A、B之間的高電平是在+2～+6 V之間，表示正邏輯狀態(tài);低電平是在-2～-6 V之間，表示負(fù)邏輯狀態(tài)。對于RS485接收端，當(dāng)在A、B之間有大于+200 mV電壓，輸入為正邏輯電平;小于-200 mV，輸入為負(fù)邏輯電平，如圖3所示。圖1中RS-485器件中有一個信號地，一般，各器件信號地可以連接在一起，或者不連接;器件中，另有一個“使能”控制信號端，用于控制RS485是作為發(fā)送端還是作為接收端。當(dāng)使能端為高電平時，作為發(fā)送端，當(dāng)為低電平時，作為接收端。RS485為半雙工通信方式，同一時刻，器件只能作為發(fā)送端或接收端，軟件設(shè)計總線仲裁中，通過“使能”信號控制。

2 RS485在系統(tǒng)中的應(yīng)用

RS485多機通信中，各器件中的A點連接在一起，B點連接在一起，通過雙絞線連接，所有RS485節(jié)點掛接在一對RS485總線上。由于RS485為半雙工工作模式，同一時刻，網(wǎng)絡(luò)中只允許一臺RS485接口設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，否則，總線上的數(shù)據(jù)會混亂;此外，由于RS485缺乏硬件仲裁機制，通信中，無法通過硬件仲裁來釋放及占有總線，在多機通信網(wǎng)絡(luò)中，可以從軟件角度考慮總線仲裁。而RS485標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定應(yīng)用層通信協(xié)議，在軟件設(shè)計系統(tǒng)總線仲裁中，可以根據(jù)系統(tǒng)特性及功能，制定相應(yīng)的應(yīng)用通信層協(xié)議。

1)系統(tǒng)簡述

系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由主控機(M0)、從機(S1、S2……)構(gòu)成，均為嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，內(nèi)核為CORTEX—M3。本系統(tǒng)中所有的RS485終端設(shè)備為嵌入式設(shè)備，終端設(shè)備接口一致，直接通過雙絞線連接。

主機負(fù)責(zé)測控系統(tǒng)的信息采集。控制信息發(fā)送;各從機負(fù)責(zé)及完成各種信息的測量及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將測控信息發(fā)送給主機。系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分支節(jié)點故障查找方便，由于接口簡單，擴展性良好，中心節(jié)點通信軟件協(xié)議較復(fù)雜，而各分支節(jié)點通信協(xié)議較簡單。

2)RS485通信協(xié)議總線設(shè)計

通信協(xié)議的設(shè)計主要包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層：

物理層實現(xiàn)以下功能：

發(fā)送數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)鏈路層送來的數(shù)據(jù)按字節(jié)進行并串轉(zhuǎn)換，增加起始位、奇偶校驗位及停止位，然后將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送到物理信道上;接收數(shù)據(jù)時，從物理信道串行接收電平信號，然后進行電平轉(zhuǎn)換、奇偶校驗、串并轉(zhuǎn)換，得到所接收的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)以下功能：

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和應(yīng)用層之間，為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的接口函數(shù)，實現(xiàn)無差錯的雙向數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要包括幀格式設(shè)計、傳輸速率設(shè)置、幀收發(fā)程序、字符串收發(fā)程序。

①串口驅(qū)動程序設(shè)計

STM32F103串口驅(qū)動程序的設(shè)計調(diào)用系統(tǒng)庫函數(shù)，省去了很多底層函數(shù)的編寫。幀格式設(shè)計、傳輸速率設(shè)置通過結(jié)構(gòu)體InitType DefInit StruCture結(jié)構(gòu)體賦并初始化完成;幀的發(fā)送及接收已有庫函數(shù)USART_ReceiveData(USART_TypeDef*USARTx)及USART_SendData(USART_Type Def*USARTx，uint16_tData)，通過這兩個函數(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)字符串的收和發(fā)程序，簡化驅(qū)動程序開發(fā)。

在串口驅(qū)動程序設(shè)計中，需要注意的是：在接收及發(fā)送幀數(shù)據(jù)時，使能端的電平設(shè)置，因此收發(fā)程序不能直接使用stm32f中的庫函數(shù)。據(jù)此，在串口驅(qū)動程序的設(shè)計中，重新編寫了接收及發(fā)送字節(jié)函數(shù)。發(fā)送字節(jié)函數(shù)示例：

②通信協(xié)議設(shè)計

為了實現(xiàn)從機信息正確的接收，在設(shè)計過程中，根據(jù)系統(tǒng)特點，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議：人為認(rèn)為每臺從機有地址編碼，例如，1號機地址為0x1，2號機地址為0x2，以此類推，此數(shù)據(jù)也代表了從機機號。從機全部作為接收端，等待接收命令。

第一步：所有從機處于接收等待狀態(tài);主機發(fā)送一幀數(shù)據(jù)表示地址，從機接收并判斷是否為本機地址：是，則響應(yīng);否則，丟棄此幀數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待接收本機地址幀;

第二步：從機接收到本機地址幀后，發(fā)送一個握手應(yīng)答數(shù)據(jù)給主機。此時，從機作為發(fā)送端，主機作為接收端。主機發(fā)送完地址幀后隨即切換狀態(tài)并等待接收握手應(yīng)答數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到總線握手?jǐn)?shù)據(jù)后，主機判斷是不是所需要讀取的機號的握手通信數(shù)據(jù)：是，則通信成功，讀取從機發(fā)送信息;否則，重新開始地址發(fā)送;

第三步：從機發(fā)送總線握手信號后，隨即發(fā)送數(shù)據(jù)給主機。數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，恢復(fù)等待接受狀態(tài)。

整個通信過程中，所有從機通信協(xié)議全部一致，從機接受地址信息并判斷后，如果和本機地址相符，則發(fā)送數(shù)據(jù)給主機。

按照系統(tǒng)中制定的通信協(xié)議，主機和從機的軟件設(shè)計流程圖如圖5一圖7所示。

從機作為測控前端，實現(xiàn)系統(tǒng)測控和數(shù)據(jù)傳送，其通訊受控于主機，因而從機接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，即從機一旦接收到主機的呼叫信號，立即進入接收中斷與主機通信，其工作流程圖如圖6、7所示。

在整個系統(tǒng)中，主從機均可作為發(fā)送端和接收端。同一時刻，網(wǎng)絡(luò)中只能有一個發(fā)送端，因此，在設(shè)計通信協(xié)議的時候，注意狀態(tài)的切換;另根據(jù)RS485狀態(tài)工作時序特點，需要設(shè)計好收發(fā)之間的延時，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。發(fā)送時，使能端置“1”，延時1 ms左右，再發(fā)送有效數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再延時1 ms，使能端置“0”。這樣總線在狀態(tài)切換時，使之有一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)使用RS485半雙工收發(fā)器，實現(xiàn)了基于CORTEX—M3的多機通信網(wǎng)絡(luò)的組建，主機利用順序方式采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了一主多從的通訊方式。主從機通過狀態(tài)的切換，都可以扮演發(fā)送端及接收端的角色，本質(zhì)上還是使用了半雙工通信的特點，利用軟件進行任務(wù)調(diào)度，最終實現(xiàn)了星形網(wǎng)絡(luò)多機通信。本文設(shè)計的RS485通信協(xié)議可移植性強、穩(wěn)定性高、易擴展，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、現(xiàn)場總線、遠程監(jiān)控等領(lǐng)域。