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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。關鍵詞：RS485總線 半雙工 載波監(jiān)聽多點接入／沖突檢測
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(wǎng)絡時代的到來，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(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(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)時其他設備已經(jīng)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。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(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[
[1] [2] [3]
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