一種實現(xiàn)載波監(jiān)聽多點接入/沖突檢測的多主RS485總線

　　智能儀表和現(xiàn)場總線的出現(xiàn)標志著工業(yè)控制領域網絡時代的到來，成為工業(yè)控制的主流。目前國際上已經出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線和相應的通信協(xié)議，但是其系統(tǒng)造價對于許多中小型應用仍顯過高。而RS485總線以其構造簡單、造價低廉、可選芯片多、便于維護等特點在眾多工業(yè)控制系統(tǒng)中得到應用。

１ RS485總線及現(xiàn)有工作方式的特點

　　RS485總線以雙絞線為物理介質，工作在半雙工的通信狀態(tài)下[１]，即同一時刻，總線上只能有一個節(jié)點成為主節(jié)點而處于發(fā)送狀態(tài)，其他所有節(jié)點必須處于接收狀態(tài)。如果同一時刻有兩個以上的節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)，將導致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，即所謂總線沖突。為了避免總線沖突，RS485總線具有以下特點：

　　以工作模式來說，一般的RS485總線工作在主從模式下。整個通信總線系統(tǒng)由一個主節(jié)點、若干個從節(jié)點組成，由主節(jié)點不斷地輪流查詢從節(jié)點是否有通信需求。如果有則將總線控制權交給某一從節(jié)點，從節(jié)點發(fā)送完畢后立刻交還總線控制權。另外還有一種“輪主輪從”的工作方式，即讓總線控制權在各個節(jié)點間以類似令牌環(huán)的方式傳遞[３]，得到控制權的節(jié)點成為主節(jié)點，其它節(jié)點成為從節(jié)點。一個節(jié)點在發(fā)送完數(shù)據(jù)的同時，將總線控制權交給相鄰的節(jié)點，而這個節(jié)點在處理完本節(jié)點的通信需求后再把控制權向下傳遞。令牌環(huán)式的RS485工作方式如圖１所示。

　　從通信節(jié)點來講，RS485總線上的節(jié)點必須具備將自己的驅動器切換到高阻態(tài)的功能?眼１?演，以便在發(fā)送完數(shù)據(jù)后不會對總線狀態(tài)造成影響。這種驅動器實行發(fā)送態(tài)—高阻態(tài)切換的一個影響是?押從發(fā)送數(shù)據(jù)完畢到設備切換為高阻態(tài)，需要一個轉換延遲。這個轉換延遲是２線制通信中一個很重要的參數(shù)。這個時間不能太短，否則發(fā)出的字符的最后一部分因為尚未在總線上建立起來而導致丟失。同時這個時間也不能太長，否則在發(fā)送端還未轉為高阻態(tài)時其他設備已經開始發(fā)送數(shù)據(jù)，會導致總線沖突。因此２線制RS485總線上的主設備必須知道所有從設備的反應時間，并保證在從設備反應之前把驅動器設為高阻態(tài)，以接收從設備的數(shù)據(jù)。常用設備的轉換延遲是當前波特率發(fā)送一個字節(jié)的時間。

　　以上為適應RS485總線的特殊之處而采用的工作方式也引入了一些不足。首先，上面提到的兩種總線工作方式在很多對實時性、可靠性要求高的工業(yè)控制場合有較大的局限性。主要原因是主從式總線的從節(jié)點無發(fā)起通信的權利，相互之間的通信需要通過主節(jié)點中轉。而“輪主輪從”總線上的各個節(jié)點由于等待總線控制權的時間未知，實時性也無法保證。同時，如果主從式的主節(jié)點或者是“輪主輪從”式的獲取令牌的節(jié)點出現(xiàn)故障，整個總線的工作將癱瘓，風險過于集中。其次，對驅動器實行“發(fā)送態(tài)—高阻態(tài)”切換以及考慮切換延遲等要求使編程變得復雜。在上電瞬間、ＣＰＵ損壞或者是程序跑飛的情況下，還需要考慮復雜的故障保護等問題[２]，否則將容易引起總線故障。

２ RS485總線上CSMA/CD的實現(xiàn)

　　為了解決各個節(jié)點主動獲取總線控制權的問題，人們想到了利用監(jiān)聽總線狀態(tài)的方式實現(xiàn)總線控制權的本地判斷和獲取，也就是ＣＳＭＡ／ＣＤ協(xié)議實際上做的工作[３]。即所有節(jié)點在發(fā)送前監(jiān)聽總線上是否有其他節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，就暫時不發(fā)送。另外在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，邊發(fā)送邊監(jiān)聽，如果監(jiān)聽到沖突則沖突雙方都停止發(fā)送。這樣做，既能保證每一個節(jié)點都具有發(fā)起通信的權利，又能盡量減少發(fā)生總線沖突的機會，提高整個系統(tǒng)的吞吐量。

　　已有的一種實現(xiàn)方法[４]是將總線接收器的輸出端反相后接到ＣＰＵ的外部中斷管腳，如圖２所示。用觸發(fā)中斷的方式判斷總線上是否有數(shù)據(jù)傳輸，同時結合定時器中斷判斷總線是否空閑。如果總線空閑，就獲得總線控制權，發(fā)送數(shù)據(jù)；然后用監(jiān)聽自己發(fā)送數(shù)據(jù)的辦法判斷是否發(fā)生總線沖突。該方法解決了總線控制權分配的時延問題，但是需要使用至少４個管腳（ＩＮＴ０、ＲＸＤ、ＴＸＤ、驅動器使能管腳），并且占用外部中斷和內部定時器中斷，需要利用軟件監(jiān)聽發(fā)送的數(shù)據(jù)避免總線沖突。系統(tǒng)資源耗費較多，編程復雜，在一些場合的應用也有局限性。本文在以上方法的基礎上提出了一種利用硬件監(jiān)聽總線狀態(tài)的方法，真正實現(xiàn)ＣＳＭＡ／ＣＤ協(xié)議。同時減少了系統(tǒng)資源的占用率，簡化了總線沖突的判斷。另外實現(xiàn)了驅動器的無延遲自動切換，進一步提高了系統(tǒng)的實時性。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并且大大提高了通信的實時性，特別適合實時分布式控制的場合。

２．１ 系統(tǒng)框圖
　
　　系統(tǒng)由總線狀態(tài)判斷邏輯、驅動器自動切換邏輯兩部分組成，如圖３所示。系統(tǒng)資源只占用ＣＰＵ的３個管腳：ＲＸＤ、ＴＸＤ、總線狀態(tài)指示腳，不占用任何中斷。在軟件實現(xiàn)方面由于采用了硬件判斷總線狀態(tài)而變得非常簡單，只需要對標準的２３２通信程序做微小修改即可。

２．２ 總線狀態(tài)判斷邏輯

　　該電路由雙RS485總線接收器構成，兩個接收器的輸出相與后得到總線狀態(tài)信號。偏置電阻網絡的對稱形式使得在總線沒有被驅動的情況下，兩條總線的電平相等。總線狀態(tài)判斷邏輯如圖４所示。由于接收器的兩個接入點電平不同，所以當總線處于高阻狀態(tài)或者總線被短路時，兩個接收器都是高電平輸出，總線狀態(tài)為高電平。因為Ａ、Ｂ線通過６.８ｋΩ電阻分別接入兩個接收器的不同接收端，所以當總線出現(xiàn)任何一個確定的邏輯狀態(tài)時，都將引起其中一個接收器的輸出變?yōu)榈碗娖剑@樣總線狀態(tài)就變?yōu)榈碗娖?，表明總線被占用。經過理論計算和ＥＷＢ仿真，該網絡從Ａ、Ｂ點看接入阻抗為１２.２ｋΩ，恰好滿足RS485協(xié)議的接收器輸入阻抗要求。