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嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中實現(xiàn)RS485的方向切換

作者: 時間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  RS485總線是工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的技術(shù),是現(xiàn)代通信技術(shù)的工業(yè)標準之一。RS485總線用于多站互連十分方便,用一對雙絞線即可實現(xiàn),采用平衡發(fā)送和差分接收,即在發(fā)送端驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出,在接收端接收器將差分信號變成TTL電平,因此具有抗共模干擾的能力。根據(jù)RS485標準,傳送數(shù)據(jù)速率達100 kb/s時通信距離可達1200 m。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327222.htm

  RS485在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。嵌入式系統(tǒng)可以通過RS485接口來控制終端設(shè)備。由于RS485是半雙工模式,因此發(fā)送和接收的方向切換需要我們的關(guān)注和研究。如果方向切換方式選擇不好可能會導(dǎo)致RS485驅(qū)動能力下降、軟件執(zhí)行效率下降,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)異常等問題。

  本文分別給出硬件實現(xiàn)RS485方向切換和軟件實現(xiàn)RS485方向切換兩種方式。兩種方式各有優(yōu)點,硬件方式控制起來比較簡單。軟件方式的驅(qū)動能力更好,但是和嵌入式平臺關(guān)系比較密切,不同的平臺都需要調(diào)試和驗證。

  1 硬件方式控制RS485方向

  圖1所示為硬件控制RS485的電路圖。電路中使用2N7002LT1G MOS場效晶體管把UART_TXD_485這個MCU輸出的RS485發(fā)送信號邏輯取反后送給RS485芯片的RE/DE PIN腳??刂频脑硎牵擴ART_TXD_485輸出低電平時RS485芯片的DE使能;輸出高電平時RE使能。默認情況下UART_TXD_485是高電平,RS485芯片處于接收狀態(tài)。發(fā)送數(shù)據(jù)時,UART_TXD_485上面有高低電平信號變化,低電平信號通過RS485芯片SP3072EENL/TR直接輸出,高電平信號通過外部上下拉電阻來控制。

  這種方法的優(yōu)點是控制簡單,軟件不需要做額外的工作,控制RS485像控制RS232一樣。但是這種方法的缺點是驅(qū)動能力可能不足,由于這種控制方法沒有完全發(fā)揮出RS485驅(qū)動芯片自身的驅(qū)動能力,輸出信號依賴于外部上下拉電阻,因此在復(fù)雜環(huán)境下,譬如很多負載需要控制時,就會存在驅(qū)動能力不足的問題。但是在一些簡單的環(huán)境或者軟件實現(xiàn)較復(fù)雜的平臺下,使用這種方法還是切實可行的。

  

  圖1 硬件控制RS485電路圖

  2 軟件方式控制RS485方向

  2.1 驅(qū)動能力分析

  在復(fù)雜的RS485控制環(huán)境下,用上面介紹的硬件方式來控制RS485的方向會存在比較突出的驅(qū)動能力不足的問題。修改上述控制方法,將TTL這一側(cè)的2線控制改為3線控制,就是將收發(fā)控制信號不用當前的/TXD來控制,而從主控分出一根GPIO線來控制收發(fā)。

  按照輸出電流計算,3線控制方式相對用2線控制的總線上下拉作為輸出的方式,其驅(qū)動能力提高了25~50倍(不同廠家不同型號有差異),如果輔以終端電阻靈活配置的措施,RS485的驅(qū)動能力將完全不是問題。表1是兩種控制方式驅(qū)動能力的對比。

  2.2 軟硬件環(huán)境

  

  圖2 軟件控制方法中的硬件設(shè)計

  軟件控制方法采用圖2的硬件設(shè)計,圖中很突出的修改是使用MCU的GPIO來控制RE和DE.RS485芯片的供電采用5 V供電,提高驅(qū)動能力。RS485芯片的RE和DE控制使用MCU的GPIO輸出高低電平來控制。簡單來說就是,在RS485進行數(shù)據(jù)傳輸時,通過GPIO來控制傳輸方向。這里采用的MCU是TI公司的DM8168處理器來實現(xiàn)軟件的RS485切換功能。軟件版本使用UBoot2010.06和linux2.6.37。用軟件來實現(xiàn)RS485的收發(fā),盡量要保證執(zhí)行效率;要達到上面的目的就需要對串口驅(qū)動進行調(diào)試,使用串口驅(qū)動用到的軟件資源和串口控制器本身的硬件資源來實現(xiàn)RS485的控制。

  表1 軟件和硬件控制方式驅(qū)動能力的對比

  

  2.3 UBoot代碼修改

  需要修改的文件:

 ?、?board/ti/ti8168/evm.c

 ?、?drivers/serial/ns16550.c

 ?、?include/configs/ti8168_evm.h

  ti8168_evm.h文件中增加切換宏定義:

  #define CONFIG_RS485_DIR_SW 1

  evm.c文件中增加切換函數(shù):

  void rs485_dir_sw(int rs485_dir){

  if (rs485_dir ==0)

  _raw_writel(RS485_DIR_MASK, TI81XX_GPIO1_CLEARDATAOUT);

  else

  _raw_writel(RS485_DIR_MASK, TI81XX_GPIO1_SETDATAOUT);

  }

  s16550.c串口驅(qū)動文件中增加RS485方向控制:

  void NS16550_putc(NS16550_t com_port, char c){

  #ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW

  rs485_dir_sw(1);

  #endif

  ……//此處代碼省略

  #ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW

  while((serial_in(&com_port->lsr) & UART_LSR_TEMT) == 0)

  rs485_dir_sw(0);

  #endif

  }

  其中UART_LSR_TEMT表示發(fā)送BUF和移位寄存器為空。默認情況下RS485是接收狀態(tài),一旦要發(fā)送數(shù)據(jù),就把RS485切換為發(fā)送狀態(tài)。發(fā)送完數(shù)據(jù)后,等待發(fā)送BUF和移位寄存器為空,然后切換回接收狀態(tài),這里無需使用timeout。

  2.4 Linux代碼修改

  需要修改的文件:

 ?、?arch/arm/machomap2/bordti8168evm.c

 ?、?drivers/serial/omapserial.c

 ?、?include/linux/serial_core.h

  serial_core.h文件,uart_port結(jié)構(gòu)體中增加set_rs485_direction函數(shù)指針,用于執(zhí)行RS485的方向切換void (*set_rs485_direction)(int rs485_dir);原本考慮在uart_ops結(jié)構(gòu)體中增加的,但是這個結(jié)構(gòu)體是常量類型,對它不作改動,因此加到了uart_port結(jié)構(gòu)體中。在該文件中添加相關(guān)宏定義和函數(shù)指針類型用于函數(shù)注冊:

  #define SET_RS485_RX0

  #define SET_RS485_TX1

  typedef void (*set_rs485_direction_t)(int rs485_dir);//用于函數(shù)注冊

  omapserial.c文件主要做了如下幾點改動:

  ① 添加omap_rs485_dir_fun全局的函數(shù)指針。

  static set_rs485_direction_t omap_rs485_dir_fun[OMAP_MAX_HSUART_PORTS]={NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL}

  ② 外部驅(qū)動利用omap_rs485_dir_fun_reg注冊函數(shù)對omap_rs485_dir_fun進行賦值。

  void omap_rs485_dir_fun_reg(int port_num, set_rs485_direction_t rs485_dir_fun){

  if (port_num>=OMAP_MAX_HSUART_PORTS)

  printk(KERN_ERR “%s, port_num error max is %d, but %d ”, __FUNCTION__, OMAP_MAX_HSUART_PORTS-1, port_num);

  omap_rs485_dir_fun[port_num]= rs485_dir_fun;

  }

  EXPORT_SYMBOL(omap_rs485_dir_fun_reg);

  ③ serial_omap_probe函數(shù)中對控制程序中用到的up->port.set_rs485_direction進行賦值。

  up->port.set_rs485_direction= omap_rs485_dir_fun[pdev->id];

  ④ 默認情況下RS485處于接收狀態(tài)。

 ?、?serial_omap_enable_ier_thri函數(shù)中把RS485切換為發(fā)送狀態(tài)。

  static incline void serial_omap_enable_ier_thri(struct uart_omap_port *up){

  if (!(up->ier & UART_IER_THRI)) {

  /* rs485 dir change to tx */

  if (up->port.set_rs485_direction != NULL)

  up->port.set_rs485_direction(SET_RS485_TX);

  ……//此處代碼省略

  }

  }

 ?、?serial_omap_stop_tx函數(shù)中把RS485切換為接收狀態(tài)。

  static void serial_omap_stop_tx(struct uart_omap_port *port){

  ……//此處代碼省略

  if (up->ier & UART_IER_THRI) {

  up->ier &= ~UART_IER_THRI;

  serial_out(up, UART_IER, up->ier);

  /* rs485 dir change to rx */

  if (port->set_rs485_direction != NULL)

  port->set_rs485_direction(SET_RS485_RX);

  }

  }

 ?、?transmit_chars更改一下,原先的代碼是當沒有更多的字符要發(fā)送(環(huán)形緩沖為空)時需要關(guān)閉發(fā)送中斷,這時串口控制器發(fā)送BUF和移位寄存器中還是有數(shù)據(jù)的,這些數(shù)據(jù)串口控制器自動發(fā)送完成后才算結(jié)束,由于已經(jīng)關(guān)閉了發(fā)送中斷,因此發(fā)送結(jié)束后就沒有中斷產(chǎn)生了。但是RS485切換方向需要等到完全發(fā)送完成后才能進行。因此對transmit_chars函數(shù)做了修改。調(diào)用serial_omap_stop_tx函數(shù)前判斷發(fā)送BUF和移位寄存器是否為空,如果為空就可以切換方向了。簡而言之,延后了發(fā)送中斷的關(guān)閉時間。

  static void transmit_chars(struct uart_omap_port *up){

  ……//此處代碼省略

  if (uart_circ_empty(xmit) || uart_tx_stopped(&up->port)) {

  if (up->port.ops->tx_empty(&up->port)==0)

  return;//added for last transmit

  serial_omap_stop_tx(&up->port);

  return;

  }

  ……//此處代碼省略

  if (uart_circ_empty(xmit)) {

  if (up->port.ops->tx_empty(&up->port)==0)

  return;//added for last transmit

  serial_omap_stop_tx(&up->port);

  }

  }

 ?、?arch/arm/machomap2/boardti8168evm.c文件在ti8168_evm_init函數(shù)中調(diào)用omap_rs485_dir_fun_reg函數(shù)注冊RS485切換函數(shù)。

  2.5 實驗結(jié)果分析

  上述軟件修改有如下幾個優(yōu)點:不增加硬件開銷;不增加和使用任何硬件資源;不增加軟件開銷;不影響軟件執(zhí)行效率;硬件控制是電信號控制,方向切換和TX綁定;軟件控制是整個發(fā)送緩沖區(qū)完成發(fā)送后再進行方向切換,控制實現(xiàn)上更加合理。

  對軟件切換RS485做了基本的測試,情況如下:

 ?、?控制臺操作。整個啟動打印信息正常。UBoot和Kernel下控制效果和硬件控制一樣,可以很流暢地進行命令的輸入和回顯,串口終端增加輸入字符間的延時后可以進行配置的粘貼。內(nèi)核在115 200和38 400下分別進行測試OK。

 ?、?內(nèi)核下加大負責進行大數(shù)據(jù)量的發(fā)送。增加負載,開多個ping包進程(產(chǎn)生大量中斷)、Nand Flash的操作、CPU占有率接近100%條件下,通過RS485輸出大量數(shù)據(jù),沒有亂碼,校驗OK。

 ?、?極高的實時性。

  由于本文給出的軟件實現(xiàn)方式是基于Linux內(nèi)核實現(xiàn)的,因此很好地保證了方向控制的實時性。實際結(jié)果顯示,DM8168數(shù)據(jù)發(fā)送完成到產(chǎn)生方向控制信號之間的時間在25 μs左右,幾乎可以忽略不計。而有些設(shè)計在用戶空間使用應(yīng)用程序進行方向切換的方法會導(dǎo)致20 ms以上的延時,導(dǎo)致了一系列異常問題的產(chǎn)生。

  結(jié)語

本文詳細描述了RS485方向控制的硬件和軟件兩種實現(xiàn)方式。兩種控制方式各有特點,硬件控制方式實現(xiàn)簡單,不需要軟件干預(yù),對軟件而言RS485串口收發(fā)就像RS232一樣簡單。軟件控制方式可以極大地提高整個RS485線路的驅(qū)動能力,本文給出的基于Linux內(nèi)核的控制方法又很好地保證了RS485方向切換的實時性,滿足了實用性要求。這兩種方式在很多場合已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用和驗證。特別是軟件實現(xiàn)方式,可以擴


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