單片機(jī)RS-485多機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn).pdf

摘　要　本文介紹一種能利用RS-485電氣特性和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)方式，采用自定義串行通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)RS-485多機(jī)通訊的方法和技巧。　　關(guān)鍵詞　單片機(jī)，RS-485總線，總線沖突，串行通信
　　1　簡(jiǎn)介
　　RS-485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，允許一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中一般都采用該總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且一般采用RS-485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)都使用8044芯片作為通信控制器或各分機(jī)的CPU。8044芯片內(nèi)部集成了SDLC，HDLC等通信協(xié)議，并且集成了相應(yīng)的硬件電路，通過硬件電路和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的配合，使系統(tǒng)的通訊準(zhǔn)確、可靠、快速。8044在市場(chǎng)上日漸稀少，雖然有8344可替代，但幾百元的價(jià)位與普通單片機(jī)幾元至幾十元的價(jià)位相差甚遠(yuǎn)，用戶在開發(fā)一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，都希望能用簡(jiǎn)單的電路和簡(jiǎn)單的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換。譬如：利用單片機(jī)本身所提供的簡(jiǎn)單串行接口，加上總線驅(qū)動(dòng)器如SN75176等組合成簡(jiǎn)單的RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)。本文所述的方法已成功地應(yīng)用于工程項(xiàng)目，一臺(tái)主機(jī)與60臺(tái)從機(jī)通訊，通訊波特率達(dá)64KBPS。
　　2　總線驅(qū)動(dòng)器芯片SN75176
　　常用的RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器，非常適合作為RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片。
　　SN75176及其邏輯如圖1所示。
　　

　　圖1　SN75176芯片及其邏輯關(guān)系
　　3　RS-485方式構(gòu)成的多機(jī)通信原理
　　在由單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)串行通信系統(tǒng)中，一般采用主從式結(jié)構(gòu)：從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。并且在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，只有一臺(tái)單機(jī)作為主機(jī)，各臺(tái)從機(jī)之間不能相互通訊，即使有信息交換也必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。采用RS-485構(gòu)成的多機(jī)通訊原理框圖，如圖2所示。
　　

　　圖2　采用RS-485構(gòu)成的多機(jī)通訊原理框圖
　　在總線末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，保證正常傳輸信號(hào)干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)。
　　當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號(hào)的影響。將總線上差分信號(hào)的正端A+和+5電源間接一個(gè)10K的電阻;正端A+和負(fù)端B-間接一個(gè)10K的電阻;負(fù)端B-和地間接一個(gè)10K的電阻，形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，正端A+的電平大約為3.2V，負(fù)端B-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號(hào)，卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號(hào)0，從而增加了總線抗干擾的能力。
　　4　通信規(guī)則
　　由于RS-485通訊是一種半雙工通訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下，才能應(yīng)答。半雙工通訊對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時(shí)序上的嚴(yán)格配合，必須要遵從以下幾項(xiàng)原則：
　　1) 復(fù)位時(shí)，主從機(jī)都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。
　　SN75176芯片的發(fā)送和接收功能轉(zhuǎn)換是由芯片的 RE* ，DE端控制的。RE*=1，DE=1時(shí)，SN75176發(fā)送狀態(tài);RE*=0，DE=0時(shí)，SN75176處于接收狀態(tài)。一般使用單片機(jī)的一根口線連接RE*，DE端。在上電復(fù)位時(shí)，由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，并且單片機(jī)各端口復(fù)位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會(huì)使總線上各個(gè)分機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，加上上電時(shí)各電路的不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號(hào)，應(yīng)該將口線反向后接入SN75176的控制端，使上電時(shí)SN75176處于接收狀態(tài)。
　　另外，在主從機(jī)軟件上也應(yīng)附加若干處理措施，如：上電時(shí)或正式通訊之前，對(duì)串行口做幾次空操作，清除端口的非法數(shù)據(jù)和命令。
　　2) 控制端RE*，DE的信號(hào)的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號(hào)的寬度。
　　在RS-232，RS-422等全雙工通訊過程中，發(fā)送和接收信號(hào)分別在不同的物理鏈路上傳輸，發(fā)送端始終為發(fā)送端，接收端始終為接收端，不存在發(fā)送、接收控制信號(hào)切換問題。在RS-485半雙工通訊中，由于SN75176的發(fā)送和接收都由同一器件完成，并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路，必須對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行切換。控制信號(hào)何時(shí)為高電平，何時(shí)為低電平，一般以單片機(jī)的TI，RI信號(hào)作參考。
　　發(fā)送時(shí)，檢測(cè)TI是否建立起來，當(dāng)TI為高電平后關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收功能;
　　接收時(shí)，檢測(cè)RI是否建立起來，當(dāng)RI為高電平后，接收完畢，又可以轉(zhuǎn)為發(fā)送。
　　在理論上雖然行得通，但在實(shí)際聯(lián)調(diào)中卻出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)時(shí)錯(cuò)的現(xiàn)象。根據(jù)查證有關(guān)資料，并在聯(lián)調(diào)中借助存儲(chǔ)示波器反復(fù)測(cè)試，才發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得注意的問題，我們可以查看單片機(jī)的時(shí)序：
　　

　　圖3　串行口模式3時(shí)序圖
　　單片機(jī)在串行口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只要將8位數(shù)據(jù)位傳送完畢，TI標(biāo)志即建立，但此時(shí)應(yīng)發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)位(若發(fā)送地址幀時(shí))和停止位尚未發(fā)出。如果在這是關(guān)閉發(fā)送控制，勢(shì)必造成發(fā)送幀數(shù)據(jù)不完整。如果單片機(jī)多機(jī)通訊采用較高的波特率，幾條操作指令的延時(shí)就可能超過2位(或1位)數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間，問題或許不會(huì)出現(xiàn)。但是如果采用較低波特率，如9600，發(fā)送一位數(shù)據(jù)需100μs左右，單靠幾條操作指令的延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，問題就明顯地暴露出來。接收數(shù)據(jù)時(shí)也同樣如此，單片機(jī)在接收完8個(gè)數(shù)據(jù)位后就建立起RI信號(hào)，但此時(shí)還未接收到第九位數(shù)據(jù)位(若接收地址幀時(shí))和停止位。所以，接收端必須延時(shí)大于2位數(shù)據(jù)位的時(shí)間(1位數(shù)據(jù)位時(shí)間=1/波特率)，再作應(yīng)答，否則會(huì)發(fā)生總線沖突。
　　3) 總線上所連接的各單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上完全隔開。
　　為了保證發(fā)送和接收信號(hào)的完整和正確，避免總線上信號(hào)的碰撞，對(duì)總線的使用權(quán)必須進(jìn)行分配才能避免競(jìng)爭(zhēng)，連接到總線上的單機(jī)，其發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上要完全隔離。
　　總之，發(fā)送和接收控制信號(hào)應(yīng)該足夠?qū)挘员ＷC完整地接收一幀數(shù)據(jù)，任意兩個(gè)單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上完全分開，避免總線爭(zhēng)端。
　　程序流程框圖，參見圖4。其中：a)為發(fā)送流程圖;b)為接收流程圖。
　　

　　圖4　程序流程圖
　　注：延時(shí)T秒的取值
　　(1) 傳送地址幀時(shí)，T>2X(1/波特率),可以選取T=2.5X(1/波特率)。
　　(2) 傳送數(shù)據(jù)幀時(shí)，T>1X(1/波特率)，可以選取T=1.5X(1/波特率)。
　　作者簡(jiǎn)介：尹　紅　工程師。主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用和數(shù)控產(chǎn)品的研究和開發(fā)工作
　　唐　煜　研究員。主要從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)化會(huì)議系列產(chǎn)品的研究和開發(fā)工作
　　作者單位：中國(guó)科學(xué)院成都計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所　四川。成都(610041)

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