提高RS485總線通信速度的一種設(shè)計(jì)

引言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常要采集多點(diǎn)數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào)，一般用到RS485總線，使用一主帶多從的通信方式，該種方式接線方便只需要兩根屏蔽電纜線，通信距離遠(yuǎn)最大可支持1500m，加中繼器還可延長(zhǎng)通信距離，采用差分信號(hào)方式抗電磁干擾好。但該方式通信速度不能太快，一般采用主從召喚的方式采集各子單元的數(shù)據(jù)，即主單元依次召喚各子單元(見圖1)，召喚到哪個(gè)單元哪個(gè)單元上傳數(shù)據(jù)，總線的使用權(quán)完全由主單元分配，各子單元不能擅自占領(lǐng)總線。如果系統(tǒng)的單元多，主單元循環(huán)采集一周的時(shí)間就很長(zhǎng)，子單元信息變化時(shí)不能及時(shí)發(fā)送給主單元，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)突變事件的反應(yīng)處理速度慢。本文通過總線狀態(tài)檢測(cè)、從機(jī)主動(dòng)上發(fā)的方式解決。

圖1 常規(guī)RS485總線主從方式接口圖

硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由主單元和多個(gè)子單元組成(圖2)，主單元包括：ARM7微控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、與子單元通信RS485、與主單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源;子單元包括：MSP430單片機(jī)、與子單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源。

圖2 系統(tǒng)框圖

主單元

ARM微控制器是主單元的核心，采用三星32位ARM7TDMI內(nèi)核芯片S3C44B0，該芯片最高處理速度可達(dá)76MHZ，總線開放，可外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器 FLASH和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM，該系統(tǒng)外擴(kuò)了SST公司生產(chǎn)的39VF1601和現(xiàn)代生產(chǎn)的HY57V641620HG，2個(gè)UART串行接口，使用 ADI的隔離RS485芯片ADM2483進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換，總線狀態(tài)檢測(cè)使用74HC125三態(tài)門芯片。

子單元

子單元的微控制器使用TI的MSP430F133單片機(jī)，該單片機(jī)處理速度可達(dá)8MHz，8K字節(jié)片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)，256K字節(jié)片內(nèi)SRAM。

電源電路

電源電路采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源輸入電壓范圍比較寬，輸出直流電壓5V，通過SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片輸出3.3V電源。RS485需要的隔離5V電源通過DC-DC模塊得到。

總線檢測(cè)電路

總線狀態(tài)檢測(cè)使用74HC125三態(tài)門芯片和單片機(jī)的兩個(gè)I/O(圖3)，當(dāng)系統(tǒng)都不使用總線時(shí)，每個(gè)單元的74HC125都輸出高阻狀態(tài)，此時(shí)總線為低電平，當(dāng)有單元要使用總線時(shí)，他首先檢測(cè)總線狀態(tài)，如果總線為低電平，該單元迅速把74HC125改為輸出狀態(tài)，此時(shí)總線變?yōu)楦唠娖?，該單元占領(lǐng)總線，往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成再把74HC125改為高阻狀態(tài)。如果檢測(cè)到總線是高電平，等待檢測(cè)，直到總線變低后再占領(lǐng)總線。

圖3 總線檢測(cè)電路

隔離485電路

使用ADI的ADM2483芯片進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換(圖4)，該芯片屬于隔離485，雙電源供電輸入輸出隔離。

圖4 隔離485電路

軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)程序部分需要實(shí)現(xiàn)各從機(jī)上傳數(shù)據(jù)的接收、處理和上傳。主機(jī)接收子單元信息通過一個(gè)RS485串口實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式為16進(jìn)制，數(shù)據(jù)位8位，1 個(gè)起始位，1個(gè)結(jié)束位，無寄偶校驗(yàn)位，波特率9600bps。采用串行口中斷的方式接收，主機(jī)程序初始化完成后等待各從機(jī)發(fā)送信息，當(dāng)主機(jī)接收到第一個(gè)字節(jié)后，判斷該字節(jié)是否為設(shè)備號(hào)，如果不是設(shè)備號(hào)，接收個(gè)數(shù)清零，如果是設(shè)備號(hào)繼續(xù)接收第二個(gè)字節(jié);判定第二個(gè)字節(jié)是否為正確的功能碼，如果功能碼錯(cuò)誤，接收個(gè)數(shù)清零重新接收，功能碼正確;接收第三個(gè)字節(jié)，該字節(jié)為從單元發(fā)送信息的字節(jié)個(gè)數(shù)x，計(jì)算從單元發(fā)送總字節(jié)個(gè)數(shù)為M=X+3+2,3個(gè)開頭字節(jié)和2個(gè) CRC校驗(yàn)碼，主機(jī)接收到M個(gè)字節(jié)后，首先判斷CRC校驗(yàn)碼是否正確，錯(cuò)誤舍棄所有信息，正確則把從單元的信息保存到數(shù)據(jù)區(qū)，該次接收結(jié)束，主機(jī)繼續(xù)等待接收。

信息的上傳通過一個(gè)RS232串口實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主機(jī)接收到從機(jī)信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)從單元信息發(fā)生變化，主機(jī)準(zhǔn)備把從機(jī)信息發(fā)送到上位機(jī)，首先重新初始化發(fā)送緩沖區(qū)，然后通過中斷的方式依次發(fā)送信息到上位機(jī)，發(fā)送信息包括設(shè)備號(hào)、功能碼、發(fā)送字節(jié)個(gè)數(shù)、信息字節(jié)和CRC校驗(yàn)碼。

主機(jī)單元接收數(shù)據(jù)流程圖示于圖5。

圖5 程序流程圖

結(jié)語

筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)信號(hào)的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，一個(gè)主機(jī)單元，32個(gè)從機(jī)單元，每個(gè)從機(jī)單元監(jiān)測(cè)32個(gè)開關(guān)，該系統(tǒng)共可監(jiān)測(cè)1024個(gè)開關(guān)，使用 9600bps的波特率。采用主從召換的方式，開關(guān)信號(hào)監(jiān)測(cè)的反應(yīng)時(shí)間一般要用20-30s，使用該種總線檢測(cè)的方式，開關(guān)信號(hào)的反應(yīng)速度最慢也不超過 1s，快時(shí)只有幾百ms，大大提高反應(yīng)時(shí)間，并且由于不用時(shí)時(shí)召喚，總線數(shù)據(jù)流少，提高了總線的穩(wěn)定性。