用RS-485構成總線型多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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關鍵詞：RS-485；網(wǎng)絡協(xié)議；總線拓撲；主從方式；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
一、概述
在數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡以及工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要采用串行通信來達到遠程信息交換的目的。目前，有多種接口標準可用于串行通信，包括RS-232、RS-422、RS-423和RS-485[2]。RS232是最早的串行接口標準，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應用。其后發(fā)展起來的RS-422、RS-485是平衡傳送的電氣標準，比起RS-232非平衡的傳送方式在電氣指標上有了大幅度的提高。
RS-485串行接口的電氣標準實際上是RS-422的變型，它屬于七層OSI（Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互連）模型物理層的協(xié)議標準。由于性能優(yōu)異、結構簡單、組網(wǎng)容易，RS-485總線標準得到了越來越廣泛的應用。其互連方式如圖1所示。
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圖1 RS-485互連示意圖 本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/348632.htm |
RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達12m，而用100Kbps時傳輸距離可達1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。另外RS-485實現(xiàn)了多點互連，最多可達32臺驅動器和32接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現(xiàn)半雙工通信，而且可以實現(xiàn)全雙工通信。下面以RS-485總線型網(wǎng)絡為原型，介紹它的軟硬件構成。
二、RS-485總線型多點互連設計
1、硬件電路設計
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圖2 RS-485總線型網(wǎng)絡原理圖 |
分布式多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或集中控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲一般采用總線方式，傳送數(shù)據(jù)采用主從站的方法。圖2所示是用RS-485構成的總線型網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用主從方式進行多機通信。主機可以是PC機、工控機或單片機，從機一般是單片機。每個從機擁有自己固定的地址，由主機控制完成網(wǎng)上的每一次通信。R為平衡電阻，通常取為120歐。
開始時所有從機復位，即處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待主機的呼叫。當主機向網(wǎng)上發(fā)出某一從機的地址時，所有從機接收到該地址并與自己的地址相比較。如果相符，說明主機在呼叫自己，應發(fā)回應答信號，表示準備好開始接收后面的命令和數(shù)據(jù)；否則不予理睬，繼續(xù)監(jiān)聽呼叫地址。主機收到從機的應答后，則開始一次通信。通信完畢，從機繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待呼叫。
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圖3 單片機的RS-485接口 |
采用單片機和RS-485接口的原理圖如圖3所示。由于使用半雙工方式，RS-485接口芯片采用的是SN75LBC184集成電路。這是具有瞬變高壓抑制功能的芯片，能抗雷擊、靜電放電，避免因交流電故障引起的非正常高壓脈沖沖擊。A、B為RS-485總線接口，DI是發(fā)送端，RO為接收端，分別與單片機串行口的TXD、RXD連接，RE、DE為收發(fā)使能端，由單片機的 P1.4口作為收發(fā)控制。數(shù)據(jù)采集或控制信號的輸出通過P0口進行，P2的口線可用來控制A/D或D/A轉換。
2、網(wǎng)絡協(xié)議
SN75LBC184僅能保證在物理層上二進制信號流的暢通。為了能使具體的命令、數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上正確地傳輸，在數(shù)據(jù)鏈路層必須提供一定的網(wǎng)絡協(xié)議，保證在物理層的比特流出現(xiàn)錯誤時進行檢測和校正，同時實現(xiàn)生成數(shù)據(jù)幀和命令幀的功能。
主機發(fā)出的信息分為地址和數(shù)據(jù)，它們必須區(qū)分開。單片機[1]串行口模式3是波特率可變的9位通信方式，可編程位（TB8）由主機單片機自動打包區(qū)別地址和數(shù)據(jù)，TB8為1表示地址字節(jié)，否則是數(shù)據(jù)字節(jié)。從機接收時則根據(jù)這一位來區(qū)別地址和數(shù)據(jù)。
通信開始前，所有的從機處于復位狀態(tài)，監(jiān)聽主機的地址呼叫。FFH的呼叫地址將使所有的從機復位。這時的從機只對TB8為1的地址字節(jié)敏感，對數(shù)據(jù)字節(jié)不予理睬。如果有地址呼叫，則中斷所有的從機。每個從機都把接收到的呼叫地址和本機地址相比較，如果相符，則該從機開始接收數(shù)據(jù)幀。其他從機則保持不變，后面的數(shù)據(jù)字節(jié)由于TB8為0，它們不接收，繼續(xù)監(jiān)聽地址呼叫。通信的從機完成通信后自動轉入復位狀態(tài)。
通信的數(shù)據(jù)長度必定大于一個字節(jié)，必須將他們合成一幀。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)協(xié)議幀的格式如表1所示。
表1 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)協(xié)議 |
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第一部分只有一個字節(jié)，代表該幀的長度為N+2。第二部分是N個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。具體地說，當主機發(fā)給從機的時候，數(shù)據(jù)包包括命令字及參數(shù)；當從機回送給主機的時候，包括狀態(tài)字以及必要的數(shù)據(jù)。最后一部分是采用CCITT（Consultative Committee International for Telephony and Telegraph，國際電報電話咨詢委員會）的CRC（Cyclic Redundancy Cheek，循環(huán)冗余校驗）碼，長度是兩個字節(jié)。
三、服務軟件
按照網(wǎng)絡?議的幀格式編寫的通信軟件通過物理層最終完成主機與從機之間的數(shù)據(jù)交換。在總線型拓撲結構構成的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主機和各從機間傳送的命令和數(shù)據(jù)是二進制的直接傳送，并且從機還要完成采集數(shù)據(jù)和控制的任務，主機要完成集中處理的任務，所以服務軟件要使主機和各從機協(xié)調一致地工作，盡量減小通信對其他工作的影響。
下面以單片機構成的總線型多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，給出用C51編寫的RS-485通信部分服務軟件。
1、主機程序
#define uchar unsigned char
...
sbit tr=p1.4:
void main（）
{
//初始化
PCON=0; //SMODE=0
TMOD=0x20; //定時器1設為模式2，作為串行口的波特率發(fā)生器
EA=0; //禁止定時器中斷
TH1=0xf3;
TL1=0xf3; //定時起始值，6MHz晶振時波特率為1200bps
SCON=0xd8; //串行口模式3，TB8=1發(fā)送地址呼叫
TR1=1; //啟動定時器1
while（TI=0）; //等待發(fā)送結束
TI=0;
...
}
//發(fā)送子程序
uchar SendMsg（uchar msg,uchar len,uchar IDnum）
//msg:發(fā)送緩沖區(qū)指針；len：要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度；IDnum：從機號
{
...
TB8=1;
tr=1;
SBUF=0xff; //復位從機
while（TI=0）；
TI=0;
SBUF=IDnum; //呼叫從機
while（TI=0）;
TI=0;
tr=0;
while（RI=0）; //等待從機回應 RI=0; //清除串行口中斷標志
//下面是數(shù)據(jù)幀
TB8=0;
tr=1;
SBUF=len+2;
while（TI=0）
TI=0
for（i=0;i
{
SBUF=*(msg+i);
while（TI=0）;
TI=0;
}
//下面計算 @#@冗余校驗碼并發(fā)送
...
//等待從機回應，看是否接收正確
...
return 0; //正確返回
}
2、從機程序
#define ADDRESS 0x01
...
sbit tr=P1.4;
//中斷接收程序
void sevice-serial(void)interrupt 4 using 1
{
uchar rs;
RI=0;
ES=0; //關串行口中斷
tr=0;
rs=SBUF;
if(rs=0xff) //是復位命令
{
SM2=1;
ES=1;
return;
}
if(rs!=ADDRESS) //不是呼叫本機
{
ES=1;
return;
}
SM2=0;
tr=1;
SBUF=ADDRESS; //用本機地址作為應答
while(TI=0);
TI=0;
tr=0;
//下面開始接收
...
}
四、結束語
本文著重討論了用RS-485構成網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本組網(wǎng)方法，當然在具體的應用中還會有一些變化。由于RS-485具有性能優(yōu)異、組網(wǎng)簡單的優(yōu)點，它在集中控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)中的應用相當廣泛，特別是在要求遠距離傳輸?shù)膽弥小Ｓ捎谄溆布娐芬驯容^成熟，設計中的問題主要集中在網(wǎng)絡協(xié)議和服務軟件的設計上。 網(wǎng)絡協(xié)議是保證通信暢通的關鍵，在一定程度上也影響著網(wǎng)絡通信的可靠性，即它必須能夠抵抗實際運作環(huán)境的干擾。另外通信只是整個系統(tǒng)中的一個部分，系統(tǒng)還必須完成諸如數(shù)據(jù)采集和控制的功能。這就要求通信占用盡量少的時間，以求達到整個系統(tǒng)的高效率。在通信數(shù)據(jù)量一定的情況下，采用較高的波特率當然比較好，但高的波特率必定要降低傳輸距離，在實際應用中必須仔細衡量。更好的辦法就是采用數(shù)據(jù)壓縮算法，在傳輸前對數(shù)據(jù)進行壓縮，可使通信數(shù)據(jù)量大大減少，網(wǎng)絡效率成倍提高。
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