基于協(xié)議的提高RS 485總線實時性的設(shè)計方案

目前已有的一些研究采用硬件改造和CSMA/CD的方法使系統(tǒng)具有多主結(jié)構(gòu)，從而提高實時性，但是實現(xiàn)較為復(fù)雜。提出一種基于協(xié)議的提高RS 485總線實時性的設(shè)計方案，該方案不需要修改硬件，不需要額外資源，只需要進行簡單的程序修改。實驗結(jié)果表明該方案能有效提高系統(tǒng)的實時性。

0 引言

RS 485 總線具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于工廠自動化、工業(yè)控制、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。RS 485一般采用半雙工的通信方式，即在整個網(wǎng)絡(luò)中任一時刻只能有一個節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有兩個或兩個以上節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會導(dǎo)致所有發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，即所謂的總線沖突。

為了避免總線沖突，整個RS 485 通信系統(tǒng)一般由一個主節(jié)點、多個從節(jié)點組成。數(shù)據(jù)通信一般采用主節(jié)點輪詢各個從節(jié)點的方式。各個從節(jié)點有自己的通信地址，只有主節(jié)點輪詢幀中的地址信息與自己的地址相同時，此從節(jié)點才會進行應(yīng)答，其他從節(jié)點則忽略此幀，不做任何處理。這種傳統(tǒng)的主從調(diào)度方式雖然不會引起總線沖突，但是也存在著一些局限性。從節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)必須等到主節(jié)點輪詢到自身，系統(tǒng)的通信效率較低，總線的利用率也較低。每個從節(jié)點在一個輪詢周期中只有一次發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，有實時性要求的信息得不到及時發(fā)送，系統(tǒng)的實時性較差。

為了提高RS 485 通信系統(tǒng)的實時性，目前國內(nèi)外已進行了一些研究工作，大多采用對RS 485 進行軟硬件改造使其具有多主結(jié)構(gòu)的方法，使得從節(jié)點能夠隨機發(fā)送數(shù)據(jù)。提出的實現(xiàn)方法是將RS 485接口芯片的數(shù)據(jù)接收引腳通過一反相器接到CPU的外部中斷引腳，用觸發(fā)中斷的方式判斷總線上是否有數(shù)據(jù)傳輸，同時結(jié)合定時器中斷判斷總線是否空閑;如果總線空閑就獲得總線控制權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后用監(jiān)聽自己發(fā)送數(shù)據(jù)的方法判斷是否發(fā)生總線沖突，如果發(fā)生沖突，則隨機延時一段時間，再重新偵聽發(fā)送。的方法也與之類似。這些方法一般需要額外的硬件資源，需要對原設(shè)備進行硬件改造;方法中提到的碰撞處理一般都采用CSMA/CD的隨機退避算法，實現(xiàn)較為復(fù)雜，而且時間不可預(yù)計，不能保證實時性要求。

本文提出一種基于協(xié)議的新方法，該方法不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡單的修改就能升級RS 485 通信系統(tǒng)，提高從節(jié)點自主發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，從而提高系統(tǒng)的通信效率和實時性。

1 工作原理

通信系統(tǒng)仍舊采用一個主節(jié)點、多個從節(jié)點的結(jié)構(gòu)，主節(jié)點每次在輪詢完一個從節(jié)點以后，留出一段空隙時間給從節(jié)點按需主動上傳信息。從節(jié)點如果有實時性要求的信息需要上傳，除了在主節(jié)點輪詢到自身時可以上傳，在空隙時也能上傳。首先規(guī)定從節(jié)點在空隙上傳數(shù)據(jù)的先后順序，即上傳機會的獲取機制，一種方法是按優(yōu)先級分配時間片，從節(jié)點只能在獲取了規(guī)定的發(fā)送機會時利用空隙上傳數(shù)據(jù)。如果在一個空隙中，有多個從節(jié)點需要上傳數(shù)據(jù)，從節(jié)點需要在等待屬于自己的發(fā)送機會時偵聽總線的狀態(tài)，如果偵聽到總線上已經(jīng)有其他節(jié)點進行了數(shù)據(jù)傳輸，則從節(jié)點必須放棄這次空隙上傳的機會，等待下次空隙。

通過理論分析可以比較本文提出的新方法與傳統(tǒng)的輪詢方式的實時性。一個傳輸單元由1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、1位校驗位、1位停止位組成，一個傳輸單元的傳輸時間稱為字節(jié)時間Tbyte ，波特率為baudrate ，則：

設(shè)主節(jié)點發(fā)送的輪詢幀長度為Lmaster ，從節(jié)點回復(fù)的數(shù)據(jù)幀長度固定為Lslave ，從節(jié)點數(shù)量為N ，假設(shè)所有從節(jié)點都正常，去除收發(fā)狀態(tài)切換、幀間隔、程序處理等時間影響，則一個輪詢周期Tcycle 理想的理論值為：

若采用本文提出的新方法，假設(shè)從節(jié)點的有實時性要求的信息平均需 x(0 ? x ? N - 1) 次空隙才能夠獲取總線，則響應(yīng)時間Tresponse′ 平均值為：

當x = N - 1 時，響應(yīng)時間Tresponse′ 最大值為：

采用新方法的實時數(shù)據(jù)平均響應(yīng)時間更短，系統(tǒng)的實時性更好。

由式(3)與式(6)可知，采用新方法的響應(yīng)時間在最差情況下比傳統(tǒng)輪詢方式的最差情況的響應(yīng)時間更長，大約為其2倍。綜合上述分析，新方法與傳統(tǒng)方法的實時性由平均所需空隙次數(shù)x 決定，新方法適用于各從節(jié)點的有實時性要求的信息產(chǎn)生的時間比較離散，碰撞較少的場合。

2 軟件實現(xiàn)

與傳統(tǒng)輪詢方式相比，新方法的軟件實現(xiàn)的主要不同是從節(jié)點空隙時間的處理。其主要包括兩部分，一部分為總線狀態(tài)偵聽，一部分為空隙中發(fā)送機會的獲取判斷，流程圖如圖1所示?？偩€狀態(tài)偵聽的具體實現(xiàn)方法有許多種，可以使用串口中斷來偵測總線是否有數(shù)據(jù)傳輸，不需要額外使用其他資源。串口在完整接收完一個字節(jié)數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個中斷，所以如果從節(jié)點在等待自己的時段時產(chǎn)生了串口接收中斷，則表明總線上有數(shù)據(jù)傳輸，總線為忙碌狀態(tài)。

3 實驗與分析

本文針對上述方法進行了實驗測試。實驗環(huán)境為：

1個主節(jié)點、16個從節(jié)點、波特率為1 200 b/s、從節(jié)點固定幀長度。有實時性要求的緊急數(shù)據(jù)采用隨機產(chǎn)生的方式，產(chǎn)生的時間間隔為1~2 min.對每個從節(jié)點從緊急事件產(chǎn)生到獲取總線的時間進行計時，得到緊急事件的響應(yīng)時間，持續(xù)運行1 h，然后每個從節(jié)點對各自的所有響應(yīng)時間求平均值。從節(jié)點幀長度為25 B的緊急事件平均響應(yīng)時間如圖2所示。其中，實線指示采用上述新方法的測試結(jié)果，虛線指示采用傳統(tǒng)輪詢方式的測試結(jié)果。由圖可見，采用新方法的所有從節(jié)點的平均響應(yīng)時間在500 ms以內(nèi)，而采用傳統(tǒng)輪詢方法從節(jié)點平均響應(yīng)時間都大于1 500 ms，較大的甚至大于3 000 ms，新方法大大提高了系統(tǒng)的實時性。