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一種實現(xiàn)載波監(jiān)聽多點接入／沖突檢測的多主RS485總線
摘要：提出了一種附加硬件設(shè)備，配合軟件實現(xiàn)了RS485總線上的載波監(jiān)聽多點接入／沖突檢測協(xié)議。滿足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且提高了系統(tǒng)的實時性。智能儀表和現(xiàn)場總線的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)時代的到來，成為工業(yè)控制的主流。目前國際上已經(jīng)出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線和相應(yīng)的通信協(xié)議，但是其系統(tǒng)造價對于許多中小型應(yīng)用仍顯過高。而ＲＳ４８５總線以其構(gòu)造簡單、造價低廉、可選芯片多、便于維護(hù)等特點在眾多工業(yè)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)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(zhì)，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(dǎo)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(quán)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(quán)。另外還有一種“輪主輪從”的工作方式，即讓總線控制權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(qū)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(qū)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(shè)備切換為高阻態(tài)，需要一個轉(zhuǎn)換延遲。這個轉(zhuǎn)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(dǎo)致丟失。同時這個時間也不能太長，否則在發(fā)送端還未轉(zhuǎn)為高阻態(tài)時其他設(shè)備已經(jīng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致總線沖突。因此２線制ＲＳ４８５總線上的主設(shè)備必須知道所有從設(shè)備的反應(yīng)時間，并保證在從設(shè)備反應(yīng)之前把驅(qū)動器設(shè)為高阻態(tài)，以接收從設(shè)備的數(shù)據(jù)。常用設(shè)備的轉(zhuǎn)換延遲是當(dāng)前波特率發(fā)送一個字節(jié)的時間。
以上為適應(yīng)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(quán)利，相互之間的通信需要通過主節(jié)點中轉(zhuǎn)。而“輪主輪從”總線上的各個節(jié)點由于等待總線控制權(quán)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(fēng)險過于集中。其次，對驅(qū)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(fù)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(fù)雜的故障保護(hù)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(quán)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(quán)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?jīng)_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(quán)利，又能盡量減少發(fā)生總線沖突的機(jī)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(jié)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(quán)，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(quán)分配的時延問題，但是需要使用至少４個管腳（ＩＮＴ０、ＲＸＤ、ＴＸＤ、驅(qū)動器使能管腳），并且占用外部中斷和內(nèi)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(fù)雜，在一些場合的應(yīng)用也有局限性。本文在以上方法的基礎(chǔ)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(qū)動器的無延遲自動切換，進(jìn)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)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
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