单片机RS-485多机通讯的实现.pdf

摘　要　本文介绍一种能利用RS-485电气特性和简单的结构方式，采用自定义串行通信协议，实现单片机RS-485多机通讯的方法和技巧。　　关键词　单片机，RS-485总线，总线冲突，串行通信
　　1　简介
　　RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输，而且一般采用RS-485串行总线接口标准的系统都使用8044芯片作为通信控制器或各分机的CPU。8044芯片内部集成了SDLC，HDLC等通信协议，并且集成了相应的硬件电路，通过硬件电路和标准协议的配合，使系统的通讯准确、可靠、快速。8044在市场上日渐稀少，虽然有8344可替代，但几百元的价位与普通单片机几元至几十元的价位相差甚远，用户在开发一般的单片机应用系统时，都希望能用简单的电路和简单的通信协议完成数据交换。譬如：利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器如SN75176等组合成简单的RS-485通讯网络。本文所述的方法已成功地应用于工程项目，一台主机与60台从机通讯，通讯波特率达64KBPS。
　　2　总线驱动器芯片SN75176
　　常用的RS-485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为RS-485总线驱动芯片。
　　SN75176及其逻辑如图1所示。
　　

　　图1　SN75176芯片及其逻辑关系
　　3　RS-485方式构成的多机通信原理
　　在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。采用RS-485构成的多机通讯原理框图，如图2所示。
　　

　　图2　采用RS-485构成的多机通讯原理框图
　　在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。
　　当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。将总线上差分信号的正端A+和+5电源间接一个10K的电阻;正端A+和负端B-间接一个10K的电阻;负端B-和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A+的电平大约为3.2V，负端B-的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。
　　4　通信规则
　　由于RS-485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则：
　　1) 复位时，主从机都应该处于接收状态。
　　SN75176芯片的发送和接收功能转换是由芯片的 RE* ，DE端控制的。RE*=1，DE=1时，SN75176发送状态;RE*=0，DE=0时，SN75176处于接收状态。一般使用单片机的一根口线连接RE*，DE端。在上电复位时，由于硬件电路稳定需要一定的时间，并且单片机各端口复位后处于高电平状态，这样就会使总线上各个分机处于发送状态，加上上电时各电路的不稳定，可能向总线发送信息。因此，如果用一根口线作发送和接收控制信号，应该将口线反向后接入SN75176的控制端，使上电时SN75176处于接收状态。
　　另外，在主从机软件上也应附加若干处理措施，如：上电时或正式通讯之前，对串行口做几次空操作，清除端口的非法数据和命令。
　　2) 控制端RE*，DE的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。
　　在RS-232，RS-422等全双工通讯过程中，发送和接收信号分别在不同的物理链路上传输，发送端始终为发送端，接收端始终为接收端，不存在发送、接收控制信号切换问题。在RS-485半双工通讯中，由于SN75176的发送和接收都由同一器件完成，并且发送和接收使用同一物理链路，必须对控制信号进行切换。控制信号何时为高电平，何时为低电平，一般以单片机的TI，RI信号作参考。
　　发送时，检测TI是否建立起来，当TI为高电平后关闭发送功能转为接收功能;
　　接收时，检测RI是否建立起来，当RI为高电平后，接收完毕，又可以转为发送。
　　在理论上虽然行得通，但在实际联调中却出现传输数据时对时错的现象。根据查证有关资料，并在联调中借助存储示波器反复测试，才发现一个值得注意的问题，我们可以查看单片机的时序：
　　

　　图3　串行口模式3时序图
　　单片机在串行口发送数据时，只要将8位数据位传送完毕，TI标志即建立，但此时应发送的第九位数据位(若发送地址帧时)和停止位尚未发出。如果在这是关闭发送控制，势必造成发送帧数据不完整。如果单片机多机通讯采用较高的波特率，几条操作指令的延时就可能超过2位(或1位)数据的发送时间，问题或许不会出现。但是如果采用较低波特率，如9600，发送一位数据需100μs左右，单靠几条操作指令的延时远远不够，问题就明显地暴露出来。接收数据时也同样如此，单片机在接收完8个数据位后就建立起RI信号，但此时还未接收到第九位数据位(若接收地址帧时)和停止位。所以，接收端必须延时大于2位数据位的时间(1位数据位时间=1/波特率)，再作应答，否则会发生总线冲突。
　　3) 总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。
　　为了保证发送和接收信号的完整和正确，避免总线上信号的碰撞，对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争，连接到总线上的单机，其发送控制信号在时间上要完全隔离。
　　总之，发送和接收控制信号应该足够宽，以保证完整地接收一帧数据，任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开，避免总线争端。
　　程序流程框图，参见图4。其中：a)为发送流程图;b)为接收流程图。
　　

　　图4　程序流程图
　　注：延时T秒的取值
　　(1) 传送地址帧时，T>2X(1/波特率),可以选取T=2.5X(1/波特率)。
　　(2) 传送数据帧时，T>1X(1/波特率)，可以选取T=1.5X(1/波特率)。
　　作者简介：尹　红　工程师。主要从事计算机应用和数控产品的研究和开发工作
　　唐　煜　研究员。主要从事计算机自动化会议系列产品的研究和开发工作
　　作者单位：中国科学院成都计算机应用研究所　四川。成都(610041)