一種RS-485總線自定義通信協(xié)議及其應(yīng)用
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http://m.butianyuan.cn/article/201612/332843.htm 1 概述 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，集散控制是目前最常用的測量控制方式。 在集散控制系統(tǒng)中，普遍采用RS-485總線作為底層通信接口。它具有穩(wěn)定可靠、編程簡單、組網(wǎng)快速、價格低廉的優(yōu)點，但在協(xié)議設(shè)計實現(xiàn)方面并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范，導(dǎo)致不同的控制系統(tǒng)常常采用不同的通信協(xié)議。因此，有必要結(jié)合我們的工作實踐，設(shè)計一種有通用性的高效可靠的協(xié)議，從而簡化基于RS-485的分布式測試系統(tǒng)通信部分的設(shè)計，既能夠保證通信的穩(wěn)定可靠，又能夠把精力集中到測控系統(tǒng)算法的設(shè)計上。
通常，一個集散控制系統(tǒng)由一個主控計算機（上位機）和一系列基于MCU的前端智能儀器（下位機）構(gòu)成，它們之間再通過一定的物理媒介連接在一起，以完成必要的通信功能。對于一個特定的測控系統(tǒng)而言，所要測控的對象和所采取的測控算法是個有個性的東西；而上位機和下位機之間的通信可以看作是一系列命令流和數(shù)據(jù)流的流動，所采用的通信協(xié)議是用來保證傳輸過程的可靠和高效，是具有共性的，能夠也應(yīng)該有一個統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
圖1中，物理層是利用物理媒介實現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程，提供用于建立、保持和斷開物理連接的機械的、電氣的、功能的和過程的條件；
數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實現(xiàn)無差錯傳輸?shù)墓δ?；?yīng)用層針對不同的應(yīng)用，利用鏈路層提供的服務(wù)，完成不同通信節(jié)點之間的通信。
下面結(jié)合每一層討論這種自定義協(xié)議的具體設(shè)計，重點介紹如何實現(xiàn)可靠高效的通信，如何處理通信中錯誤，如何編程實現(xiàn)。
2 協(xié)議的設(shè)計
2.1 物理層協(xié)議設(shè)計
RS-485通信網(wǎng)絡(luò)是一種總線式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。上位機（以PC為例）和下位機（以基于MCS-51的智能儀器為例）都掛在通信總線上，物理層的通信協(xié)議由RS-485標(biāo)準(zhǔn)和MCS-51的多機通信方式共同方式。
2.1.1 EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)
RS-485是工業(yè)界使用最為廣泛的雙向、平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，支持多點連接，允許創(chuàng)建多達(dá)32個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)；具有傳輸距離遠(yuǎn)（最大傳輸距離1200m），傳輸速率快（1200 m時為100kb/s），抗干擾能力強，布線簡單等優(yōu)點。
2.1.2 MCS-51串口的多機通信方式
MCS-51具有多機通信功能。當(dāng)串口以方式2（或方式3）接收時，若SM2（多機控制位）為1，這時只接收第9位為1的串行數(shù)據(jù)（把第9位為1的串行字節(jié)稱為地址，把第9位為9的串行字節(jié)稱為數(shù)據(jù)）；當(dāng)SM2=0時，不論第9位為何值都接收。
這種功能使得基于MCS-51的智能儀器能夠方便地通過RS-485接口芯片組成網(wǎng)絡(luò)。
2.1.3 物理層的功能
物理層要完成發(fā)送及接收字節(jié)流的任務(wù)，但對傳輸過程的可靠性不做出保證，而由高層協(xié)議來保證。物理層為鏈路層提供接口（以子程序的形式來描述），包括Send子程序（功能為發(fā)送一個字節(jié)）及Receive子程序（功能為接收一個字節(jié)）。
發(fā)送程序比較簡單，接收程序的流程如圖3所示（以MCS-51為例）。采用循環(huán)查詢RI標(biāo)志位的方式，可以在規(guī)定的時間內(nèi)（即在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)）實現(xiàn)一個字節(jié)的接收。規(guī)定時間的長短由循環(huán)次數(shù)決定。如果在規(guī)定的時間內(nèi)未收到，則視為通信失敗。
2.2 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計
數(shù)據(jù)鏈路層的基本通信單位是帖，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。
*冗余幀長度域是可選的，它是幀長度域的重復(fù)，可以用來檢查在傳輸過程中幀長度域是否存在傳輸錯誤。
*幀體域用來封裝來自上層（應(yīng)用層）的數(shù)據(jù)報，長度是1～255B，鏈路層對這一部分不做處理，由應(yīng)用層處理。
鏈路層可以采用如下方法進(jìn)行差錯處理。首先，幀長度域的引入可以方便程序的設(shè)計，同時也能夠起到一定的檢查錯誤的功能，可以發(fā)現(xiàn)傳輸過程中丟失字節(jié)的錯誤，并且丟棄緩沖區(qū)接收錯誤的字節(jié)。首次，可以采用冗余字節(jié)的方法，對關(guān)鍵字節(jié)（幀長度）發(fā)送兩次，只有接收到的兩個幀長度字節(jié)一致時才認(rèn)為接收到的是正確的。此外，對發(fā)送的每個字節(jié)可以采用CRC校驗等方法進(jìn)行校驗。
鏈路層向上層（應(yīng)用層）提供的接口（以子程序的形式來描述）
為SendFrame（功能是發(fā)送一幀）和ReceiveFrame（功能是接收一幀），程序流程如圖5所示，其中利用了下層（物理層）提供的接口。
2.3 應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計
應(yīng)用層是協(xié)議的最高層，它的設(shè)計對于不同的應(yīng)用可以有所不同，但是也存在很多通用性的原則。應(yīng)用層數(shù)據(jù)報的格式如圖6所示。
*類型域用來指定數(shù)據(jù)報的類型，一共可以表示256種類型，其中，0用來表示數(shù)據(jù)；其它256種用來表示命令。
*冗余類型域是可選的，它的作用是檢查類型域在傳輸過程中是否存在錯誤。
*數(shù)據(jù)域是通信中傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等。
數(shù)據(jù)報可以分成兩類：命令型數(shù)據(jù)報（類型域不為0）和數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)報（類型域為0）。具體的命令可以根據(jù)具體的應(yīng)用來設(shè)計，由具體程序負(fù)責(zé)解釋。
應(yīng)用層也個有一定的差錯檢查能力：首先，它引入了冗余類型字節(jié)；其次，數(shù)據(jù)域字節(jié)也可以采用CRC校驗等方法進(jìn)行校驗。
3 協(xié)議的具體實現(xiàn)及應(yīng)用
在設(shè)計基于RS-485的分布式測控系統(tǒng)時，在上位機呼叫下位機地址之后就可利用本協(xié)議的規(guī)范來設(shè)計具體的通信流程。
基于本協(xié)議的通信可以有兩種機制。一種是面向握手的，即每發(fā)出一幀，總是要等待確認(rèn)幀，否則將認(rèn)為是通信出錯。這是一種可靠的通信方式，適合傳輸系統(tǒng)命令和一些非常重要的系統(tǒng)參數(shù)。另一種是無握手的，即發(fā)送方假設(shè)接收方總是接收正確，從而無須等待確認(rèn)幀就不停地發(fā)送，適合大量前端采集數(shù)據(jù)的發(fā)送。這種機制的優(yōu)點是發(fā)送過程簡單、快速，缺點是不能保證傳輸過程的可靠性。
另外，接收方倘若在規(guī)定的時間內(nèi)不能接收到數(shù)據(jù)，則可以發(fā)送復(fù)位幀，同時接收方的程序回到通信程序的開始，并清空緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；而發(fā)送方的收到復(fù)位幀后也回到通信程序的開始，并清空緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。然后，雙方重新同步。
因為傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量比較大，所以通信過程采用了無握手方式，以簡化程序設(shè)計，提高通信速度。通信雙方在接收時使用了復(fù)位幀，以保證在失去同步后及時恢復(fù)。幀格式如圖8所示（沒使用冗余字節(jié)）。
實驗證明，本協(xié)議具有編程簡單、通信可靠、易于擴展的優(yōu)點，能夠有效地推廣到基于RS-485的分布式測控系統(tǒng)中。
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