RS-485網(wǎng)絡(luò)多主機(jī)接口解決方案

作者：白偉，雨辰，劉桓裕
北京瑞賽特科貿(mào)有限責(zé)任公司

摘要：提出了一種在多主機(jī)的RS-485網(wǎng)絡(luò)中，避免發(fā)生總線競爭冒險(xiǎn)的解決方案。首先介紹了RS-485網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，說明了多主機(jī)RS-485網(wǎng)絡(luò)中總線上發(fā)生競爭冒險(xiǎn)，然后詳細(xì)介紹了避免發(fā)生競爭冒險(xiǎn)模塊的設(shè)計(jì)原理以及由此模塊構(gòu)成的RS-485網(wǎng)絡(luò)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁鞒獭?/p>

關(guān)鍵字：RS-485；競爭冒險(xiǎn)；自動(dòng)流向控制；可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

The solution of many host RS-485 bus network interface
BAI wei, YU chen, LIU huan yu
(Beijing Resite Science & Technology Trade Co.,Ltd.,Beijing 100098,China)

Abstract: This paper introduces a many host RS-485 bus network in order to avoid bus competition risky solution. First introduced the RS-485 bus network features shows that many host RS-485 bus network on a competitive risk, and then described in detail to avoid competition risky module design principle and the resulting module consisting of RS-485 bus network for data transmission workflow.

Key words: RS-485; Competition risky; Automatic flow control; Re-trigger Monostable Trigger

引言：

在RS-485網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱為485網(wǎng)絡(luò)）中，經(jīng)常需要多臺(tái)主機(jī)控制多臺(tái)從機(jī)。當(dāng)多臺(tái)主機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將發(fā)生競爭冒險(xiǎn)。本文采用可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74123作為延時(shí)控制，設(shè)計(jì)了一款多主機(jī)485網(wǎng)絡(luò)中避免RS-485總線（以下簡稱為485總線）競爭冒險(xiǎn)、保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的模塊。經(jīng)過長時(shí)間測試，多主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)在485總線上發(fā)生競爭冒險(xiǎn)的概率降至0.1%以下，取得了顯著的效果。

RS-485網(wǎng)絡(luò)綜述

RS-485是一種符合工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸總線，它是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的平衡發(fā)送、差分接收的標(biāo)準(zhǔn)異步串行總線。RS-485傳輸數(shù)據(jù)線路少，易于

實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展，傳輸距離遠(yuǎn)，最大傳輸距離可達(dá)1200米；它的通訊速率高，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps；它從根本上消除了信號(hào)地線，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。它易于實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)的通訊，接口總線上可連接32個(gè)站點(diǎn)，加中繼器后可達(dá)255個(gè)站點(diǎn)。

競爭冒險(xiǎn)

RS-485為半雙工接口，采用雙向單信道通信方式。在485網(wǎng)絡(luò)中，同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它站點(diǎn)處于接收狀態(tài)，以免發(fā)生485總線競爭冒險(xiǎn)。

485網(wǎng)絡(luò)中，一臺(tái)主機(jī)控制多臺(tái)從機(jī)，采用主/從通信方式，從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。每次通信均從主機(jī)發(fā)起，不會(huì)出現(xiàn)485總線競爭冒險(xiǎn)。在有些工業(yè)現(xiàn)場，需要多臺(tái)主機(jī)同時(shí)控制從機(jī)，如果將主機(jī)與從機(jī)直接互連，每臺(tái)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為主動(dòng)的且隨機(jī)的，直接互連勢必出現(xiàn)兩臺(tái)以上主機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到485總線上，造成485總線競爭冒險(xiǎn)。為了避免此錯(cuò)誤的發(fā)生，在多臺(tái)主機(jī)與485總線之間分別加入一個(gè)模塊，使多臺(tái)主機(jī)在同一個(gè)時(shí)刻只能有一臺(tái)主機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送到485總線上，屏蔽其它主機(jī)發(fā)送信號(hào)。屏蔽原則：在空閑狀態(tài)下，第一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的主機(jī)不屏蔽，在該主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束之前，屏蔽其它主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。這樣有效地降低了485總線競爭冒險(xiǎn)的概率。

硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用74123可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成屏蔽信號(hào)電路，監(jiān)聽485總線數(shù)據(jù)，當(dāng)485總線空閑時(shí)，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)可以通過485芯片輸出到485總線上；當(dāng)485總線有數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)屏蔽該主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，待485總線空閑時(shí)，該主機(jī)發(fā)送端的數(shù)據(jù)方可輸送到485總線上。下面先簡單介紹一下74123芯片和485芯片，然后詳細(xì)介紹硬件設(shè)計(jì)原理。

74123為雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（有清除端）。其管腳圖如下圖：

RS-485接口芯片（以下簡稱為485芯片）有兩個(gè)控制使能端，接收使能端/RE和發(fā)送使能端DE。其中/RE為低電平有效，DE為高電平有效。將/RE和DE短接，用一個(gè)控制信號(hào)即可控制接收和發(fā)送兩種狀態(tài)。/RE和DE為“1”時(shí)，發(fā)送端接通，數(shù)據(jù)通過DI腳發(fā)送到485總線上；/RE和DE為“0”時(shí)，接收端接通，如果485總線上有數(shù)據(jù)，則通過485芯片轉(zhuǎn)換，有RO腳輸出高低電平信號(hào)。

圖2中自動(dòng)流向控制電路IC1（以下簡稱IC1）從DataI信號(hào)采集，輸出控制485芯片的/RE和DE端?？臻e時(shí)，DataI保持高電平，IC1輸出低電平，485芯片處于接收狀態(tài)；當(dāng)DataI有數(shù)據(jù)時(shí)，IC1輸出控制信號(hào)，使485芯片輸出端接通，DataI信號(hào)輸送到485總線上；當(dāng)DataI數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，DataI保持高電平，IC1輸出低電平，485芯片轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。

圖3所示電路是在圖2的基礎(chǔ)上加入可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路IC2（以下簡稱IC2）。

當(dāng)空閑時(shí)，即DataI保持高電平、485總線空閑，即485總線上無數(shù)據(jù)（A為“1”、B為“0”），此時(shí)IC1輸出低電平，經(jīng)過“與”門IC3（以下簡稱IC3）輸出低電平控制485芯片的/RE和DE端，485芯片保持接收狀態(tài)，DataO保持高電平，IC2的負(fù)脈沖輸出端/Q輸出高電平。

當(dāng)485總線上有數(shù)據(jù)輸入、DataI空閑時(shí)，485芯片處于接收狀態(tài)，DataO有數(shù)據(jù)，IC2電路被觸發(fā)，負(fù)脈沖輸出端/Q輸出低電平，IC3被鎖住持續(xù)輸出低電平，485芯片保持接收狀態(tài)。直到485總線上連續(xù)數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束之前，IC2連續(xù)被觸發(fā)，負(fù)脈沖輸出端/Q一直輸出低電平，485芯片一直保持接收狀態(tài)。在此過程中，DataI有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，因?yàn)?85芯片處于接收狀態(tài)，DataI數(shù)據(jù)被屏蔽，485總線數(shù)據(jù)不受輸入端DataI數(shù)據(jù)的干擾，即不會(huì)發(fā)生競爭冒險(xiǎn)，保證總線數(shù)據(jù)的完整性。當(dāng)485總線連續(xù)數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束后，IC2負(fù)脈沖輸出端/Q低電平脈沖結(jié)束，恢復(fù)到高電平，IC3輸出端隨IC1輸出信號(hào)變化，即485芯片收發(fā)直接由IC1控制，此時(shí)DataI有數(shù)據(jù)時(shí)，可以經(jīng)過485芯片輸送到485總線上。

當(dāng)485總線無數(shù)據(jù)、DataI有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，此時(shí)DataO保持高電平，IC1從DataI采集到電平信號(hào)，輸出控制信號(hào)，使485芯片輸出端接通，DataI數(shù)據(jù)輸出到485總線上。直到DataI連續(xù)數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束之前，485芯片一直處于發(fā)送狀態(tài)。因?yàn)镈ataO保持高電平，IC2的負(fù)脈沖輸出端/Q保持高電平，485芯片的控制端/RE和DE直接由IC1輸出控制。當(dāng)DataI連續(xù)數(shù)據(jù)包結(jié)束后，IC1輸出低電平，485芯片轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。

通過調(diào)節(jié)IC2電路的R和C值可控制/Q輸出的負(fù)脈沖的脈寬tW。當(dāng)C≥1000pF時(shí)， tW=K·R·C

其中K為常數(shù)，與外界溫度及外接電容C有關(guān)，在0.2～0.6間選擇。

當(dāng)C≤1000pF時(shí),tW估計(jì)值如下： tW=6+0.05C(pF)+0.45R(kΩ)C+11.6R

圖4為模塊硬件電路原理圖。左側(cè)與主機(jī)485接口連接，右側(cè)連接485總線。

圖5為兩臺(tái)主機(jī)與兩臺(tái)從機(jī)組成的485網(wǎng)絡(luò)。其中主機(jī)與485總線之間經(jīng)過圖4中的模塊連接。從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，每次通信均從主機(jī)端發(fā)起。開始時(shí)485總線空閑，即兩臺(tái)主機(jī)與兩臺(tái)從機(jī)均沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)模塊I和模塊II及兩臺(tái)從機(jī)的485接口芯片均處于接收狀態(tài)。

某一時(shí)刻起，主機(jī)I開始發(fā)送數(shù)據(jù)，兩臺(tái)從機(jī)收到數(shù)據(jù)，同時(shí)模塊II收到數(shù)據(jù)，將主機(jī)II發(fā)送端屏蔽。在主機(jī)I數(shù)據(jù)沒有發(fā)送結(jié)束之前，模塊II一直接收485總線數(shù)據(jù)，持續(xù)屏蔽主機(jī)II發(fā)送端。直到主機(jī)I數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，模塊II自動(dòng)解除主機(jī)II發(fā)送端的屏蔽。在主機(jī)I發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，兩臺(tái)從在等待數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后才返回?cái)?shù)據(jù)，所以兩臺(tái)從機(jī)不發(fā)送數(shù)據(jù)；主機(jī)II隨時(shí)可能發(fā)送數(shù)據(jù)，由于模塊II在檢測到485總線上有數(shù)據(jù)屏蔽了主機(jī)II的發(fā)送端，所以485總線上只有一個(gè)站點(diǎn)——主機(jī)I在發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了發(fā)生競爭冒險(xiǎn)，保證了主機(jī)I發(fā)送的數(shù)據(jù)的完整性。同理當(dāng)485總線空閑時(shí)，由主機(jī)II發(fā)起的一次通信過程中，模塊I自動(dòng)屏蔽主機(jī)I的發(fā)送端，避免了發(fā)生競爭冒險(xiǎn)，保證主機(jī)II發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性。

從機(jī)在接到主機(jī)命令后，返回?cái)?shù)據(jù)過程中，模塊I和模塊II自動(dòng)屏蔽發(fā)送端。從機(jī)發(fā)送結(jié)束后，485總線空閑，模塊I和模塊II自動(dòng)解除發(fā)送端的屏蔽，等待下一次通信。

圖5中僅在主機(jī)與485總線之間連接了此模塊，如果從機(jī)數(shù)量比較多，為了防止兩臺(tái)以上從機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在從機(jī)與485總線之間接入此模塊，確保在同一時(shí)刻485總線上只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它站點(diǎn)處于接收狀態(tài)。

結(jié)束語

在多主機(jī)的485網(wǎng)絡(luò)中，接入本文設(shè)計(jì)的模塊，通過總線上數(shù)據(jù)信號(hào)屏蔽主機(jī)發(fā)送信號(hào)，使總線傳輸數(shù)據(jù)不受影響，解決了主機(jī)隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生總線競爭冒險(xiǎn)，大大提高了RS-485總線通信的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

【1】閻石主編．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）．北京：高等教育出版社，2001
【2】康華光主編．電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）．北京：高等教育出版社，1988
【3】劉必虎，沈建國編著．?dāng)?shù)字邏輯電路．北京：科學(xué)出版社，2000
【4】電子工程手冊編委會(huì)，集成電路手冊分編委會(huì)編．標(biāo)準(zhǔn)集成電路數(shù)據(jù)手冊 TTL電路（增補(bǔ)本）．北京：電子工業(yè)出版社，1994
【5】【美】Jan Axelson．Serial Port Complete Programming and Circuits for RS-232 and RS-485 Links and Networks．北京：中國電力出版社，2001