RS-485總線通信系統(tǒng)的可靠性措施

1 問(wèn)題的提出

　　在工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用RS-485通信接口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機(jī)之間中長(zhǎng)距離通信的諸多方案分析來(lái)看，RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域。但RS485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。

　         
　　　　　　　　　　　　　　　　圖1RS485通信接口原理圖

       2 硬件電路設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題

       2.1 電路基本原理

　　某節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，在該電路中，使用了一種RS-485接口芯片SN75LBC184，它采用單一電源Vcc，電壓在＋3～＋5.5 V范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個(gè)瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)管，可承受高達(dá)400 V的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24 kΩ），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了限斜率驅(qū)動(dòng)，使輸出信號(hào)邊沿不會(huì)過(guò)陡，使傳輸線上不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖1中，四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機(jī)與SN75LBC184之間完全沒(méi)有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。基本原理為：當(dāng)單片機(jī)P1.6=0時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓（＋5 V），選中RS485接口芯片的DE端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)P1.6=1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電壓（0 V），選中RS485接口芯片的RE端，允許接收。SN75LBC184的R端（接收端）和D端（發(fā)送端）的原理與上述類似。

       2.2 RS-485的DE控制端設(shè)計(jì)

　　在RS-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線數(shù)據(jù)沖突。以MCS51系列的單片機(jī)為例，因其在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，I/O口都輸出高電平，如果把I/O口直接與RS-485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器使能端DE相連，會(huì)在CPU復(fù)位期間使DE為高，從而使本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時(shí)總線上有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個(gè)總線因某一節(jié)點(diǎn)的故障而通信阻塞，繼而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將控制RS485總線接口芯片的發(fā)送引腳設(shè)計(jì)成DE端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時(shí)，DE端為“0”；控制引腳為邏輯“0”時(shí)，DE端為“1”。在圖1中,將CPU的引腳P1.6通過(guò)光電耦合器驅(qū)動(dòng)DE端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復(fù)位時(shí)使SN75LBC184始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點(diǎn)因異常情況而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響。這就為整個(gè)系統(tǒng)的通信可靠奠定了基礎(chǔ)。

　　此外，電路中還有1片看門(mén)狗MAX813L，能在節(jié)點(diǎn)發(fā)生死循環(huán)或其他故障時(shí)，自動(dòng)復(fù)位程序，交出RS-485總線控制權(quán)。這樣就能保證整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而獨(dú)占總線，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

       2.3 避免總線沖突的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要使用總線時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)總線通信可靠，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下先偵聽(tīng)總線。在硬件接口上，首先將RS-485接口芯片的數(shù)據(jù)接收引腳反相后接至CPU的中斷引腳INT0。在圖1中，INT0是連至光電耦合器的輸出端。當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)正在傳輸時(shí)，SN75LBC184的數(shù)據(jù)接收端（R端）表現(xiàn)為變化的高低電平，利用其產(chǎn)生的CPU下降沿中斷（也可采用查詢方式），能得知此時(shí)總線是否正“忙”，即總線上是否有節(jié)點(diǎn)正在通信。如果“空閑”，則可以得到對(duì)總線的使用權(quán)限，這樣就較好地解決了總線沖突的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級(jí)，使高優(yōu)先級(jí)的消息得以優(yōu)先發(fā)送，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒(méi)有主、從節(jié)點(diǎn)之分，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的使用權(quán)限是平等的，從而有效避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)通信負(fù)擔(dān)較重的情況。總線的利用率和系統(tǒng)的通信效率都得以大大提高，從而也使系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“危險(xiǎn)”分散了，從某種程度上來(lái)說(shuō)增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性。

       2.4 RS-485輸出電路部分的設(shè)計(jì)
在圖1中，VD1～VD4為信號(hào)限幅二極管,其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)，VD1和VD3取12 V,VD2 和VD4取7 V,以保證將信號(hào)幅度限定在-7～+12 V之間，進(jìn)一步提高抗過(guò)壓的能力?？紤]到線路的特殊情況（如某一節(jié)點(diǎn)的RS-485芯片被擊穿短路），為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在SN75LBC184的信號(hào)輸出端串聯(lián)了2個(gè)20 Ω的電阻R1和R2，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1個(gè)120 Ω的匹配電阻（如圖1中的R3），以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。

       2.5系統(tǒng)的電源選擇

　　對(duì)于由單片機(jī)結(jié)合RS-485組建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立供電的方案，同時(shí)電源線不能與RS-485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。RS-485信號(hào)線宜選用截面積0.75 mm2以上的雙絞線而不是平直線,并且選用線性電源TL750L05比選用開(kāi)關(guān)電源更合適。TL750L05必須有輸出電容，若沒(méi)有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制該現(xiàn)象。

       3 軟件的編程

　　SN75LBC184在接收方式時(shí)，A、B為輸入，R為輸出；在發(fā)送方式時(shí)，D為輸入，A、B為輸出。當(dāng)傳送方向改變一次后，如果輸入未變化，則此時(shí)輸出為隨機(jī)狀態(tài)，直至輸入狀態(tài)變化一次，輸出狀態(tài)才確定。顯然，在由發(fā)送方式轉(zhuǎn)入接收方式后，如果A、B狀態(tài)變化前，R為低電平，在第一個(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，R仍為低電平，CPU認(rèn)為此時(shí)無(wú)起始位，直到出現(xiàn)第一個(gè)下降沿，CPU才開(kāi)始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致接收錯(cuò)誤。由接收方式轉(zhuǎn)入發(fā)送方式后，D變化前，若A與B之間為低電壓，發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，A與B之間仍為低電壓，A、B引腳無(wú)起始位，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)送錯(cuò)誤?？朔@種后果的方案是：主機(jī)連續(xù)發(fā)送兩個(gè)同步字，同步字要包含多次邊沿變化(如55H ，0AAH)，并發(fā)送兩次(第一次可能接收錯(cuò)誤而忽略) ，接收端收到同步字后，就可以傳送數(shù)據(jù)了，從而保證正確通信。

　　為了更可靠地工作，在RS485總線狀態(tài)切換時(shí)需要適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)0.5 ms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，再延時(shí)0.5 ms，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖如圖2所示。

　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　圖2數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖

　　單片機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的程序基本上可以分為6個(gè)主要部分，分別為預(yù)定義部分、初始化部分、主程序部分、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分、幀接收部分和幀發(fā)送部分。預(yù)定義部分主要定義了通信中使用的握手信號(hào)，用于保存設(shè)備信息的緩沖區(qū)和保存本節(jié)點(diǎn)設(shè)備號(hào)的變量。設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分應(yīng)能在程序初始化后，當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)，作出相應(yīng)的反應(yīng)。主程序部分應(yīng)能接收命令幀，并根據(jù)命令的內(nèi)容作出相應(yīng)的回應(yīng)。為縮短篇幅，這里僅給出主程序部分的代碼。如下所示：

　　/* 主程序流程 */
　　while(1) {　　　　　　　　　//主循環(huán)
　　　　if(recv_cmd(&type)==0) //發(fā)生幀錯(cuò)誤或幀地址與本機(jī)
　　　　　　　　　　　　　　　 //地址不符，丟棄當(dāng)前幀后返回
　　continue;
　　switch(type) {
　　　　case __ACTIVE_:　　　　//主機(jī)詢問(wèn)從機(jī)是否存在
　　　　　　send_data(__OK_, 0,dbuf);//發(fā)送應(yīng)答信息
　　　　　　break;
　　　　case __GETDATA_:
　　　　　　len = strlen(dbuf);
　　　　　　send_data(__STATUS_, len,dbuf);//發(fā)送狀態(tài)信息
　　　　　　　　break;
　　　　default:
　　　　　　　　break;　　　　//命令類型錯(cuò)誤，丟棄當(dāng)前幀后返回
　　　　}
　　}

       4 結(jié)論

　　RS-485由于使用了差分電平傳輸信號(hào)，傳輸距離比RS-232更長(zhǎng)，最多可以達(dá)到3000 m，因此很適合工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。但與CAN總線等更為先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線相比，其處理錯(cuò)誤的能力還稍顯遜色，所以在軟件部分還需要進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，以避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等情況發(fā)生。另外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余量較大，對(duì)于速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所不適宜用RS-485總線。雖然RS-485總線存在一些缺點(diǎn)，但由于它的線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、控制方便，只要處理好細(xì)節(jié)，在某些工程應(yīng)用中仍然能發(fā)揮良好的作用。總之，解決可靠性的關(guān)鍵在于工程開(kāi)始施工前就要全盤(pán)考慮可采取的措施，這樣才能從根本上解決問(wèn)題，而不要等到工程后期再去亡羊補(bǔ)牢。

　　參考文獻(xiàn)

1 求是科技.單片機(jī)通信技術(shù)與工程實(shí)踐.北京：人民郵電出版社，2005
2 沈紅星.一種基于RS485總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)方法.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(6)
3 吳軍輝.RS485總線通信避障及其多主發(fā)送的研究.測(cè)控技術(shù)，2002(8) 
4 劉光斌.單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾技術(shù).北京：人民郵電出版社，2003