提高RS485總線通信速度的一種設計
工業現場經常要采集多點數據，模擬信號或開關信號，一般用到RS485總線，使用一主帶多從的通信方式，該種方式接線方便只需要兩根屏蔽電纜線，通信距離遠最大可支持1500m，加中繼器還可延長通信距離，采用差分信號方式抗電磁干擾好。但該方式通信速度不能太快，一般采用主從召喚的方式采集各子單元的數據，即主單元依次召喚各子單元(見圖1)，召喚到哪個單元哪個單元上傳數據，總線的使用權完全由主單元分配，各子單元不能擅自占領總線。如果系統的單元多，主單元循環采集一周的時間就很長，子單元信息變化時不能及時發送給主單元，導致系統對突變事件的反應處理速度慢。本文通過總線狀態檢測、從機主動上發的方式解決。
圖1 常規RS485總線主從方式接口圖
硬件設計
整個系統由主單元和多個子單元組成(圖2)，主單元包括：ARM7微控制器、程序存儲器、數據存儲器、與子單元通信RS485、與主單元通信RS485、系統電源和通信隔離電源；子單元包括：MSP430單片機、與子單元通信RS485、系統電源和通信隔離電源。
圖2 系統框圖
主單元
ARM微控制器是主單元的核心，采用三星32位ARM7TDMI內核芯片S3C44B0，該芯片最高處理速度可達76MHZ，總線開放，可外擴程序存儲器FLASH和數據存儲器SDRAM，該系統外擴了SST公司生產的39VF1601和現代生產的HY57V641620HG，2個UART串行接口，使用ADI的隔離RS485芯片ADM2483進行接口電平轉換，總線狀態檢測使用74HC125三態門芯片。
子單元
子單元的微控制器使用TI的MSP430F133單片機，該單片機處理速度可達8MHz，8K字節片內FLASH存儲，256K字節片內SRAM。
電源電路
電源電路采用開關電源供電，開關電源輸入電壓范圍比較寬，輸出直流電壓5V，通過SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片輸出3.3V電源。RS485需要的隔離5V電源通過DC-DC模塊得到。
總線檢測電路
總線狀態檢測使用74HC125三態門芯片和單片機的兩個I/O(圖3)，當系統都不使用總線時，每個單元的74HC125都輸出高阻狀態，此時總線為低電平，當有單元要使用總線時，他首先檢測總線狀態，如果總線為低電平，該單元迅速把74HC125改為輸出狀態，此時總線變為高電平，該單元占領總線，往總線上發送數據，發送數據完成再把74HC125改為高阻狀態。如果檢測到總線是高電平，等待檢測，直到總線變低后再占領總線。
圖3 總線檢測電路
隔離485電路
使用ADI的ADM2483芯片進行接口電平轉換(圖4)，該芯片屬于隔離485，雙電源供電輸入輸出隔離。
圖4 隔離485電路
軟件設計
主機程序部分需要實現各從機上傳數據的接收、處理和上傳。主機接收子單元信息通過一個RS485串口實現，數據格式為16進制，數據位8位，1 個起始位，1個結束位，無寄偶校驗位，波特率9600bps。采用串行口中斷的方式接收，主機程序初始化完成后等待各從機發送信息，當主機接收到第一個字節后，判斷該字節是否為設備號，如果不是設備號，接收個數清零，如果是設備號繼續接收第二個字節；判定第二個字節是否為正確的功能碼，如果功能碼錯誤，接收個數清零重新接收，功能碼正確；接收第三個字節，該字節為從單元發送信息的字節個數x，計算從單元發送總字節個數為M=X+3+2,3個開頭字節和2個 CRC校驗碼，主機接收到M個字節后，首先判斷CRC校驗碼是否正確，錯誤舍棄所有信息，正確則把從單元的信息保存到數據區，該次接收結束，主機繼續等待接收。
信息的上傳通過一個RS232串口實現。當主機接收到從機信息后，進行數據的處理，發現從單元信息發生變化，主機準備把從機信息發送到上位機，首先重新初始化發送緩沖區，然后通過中斷的方式依次發送信息到上位機，發送信息包括設備號、功能碼、發送字節個數、信息字節和CRC校驗碼。
主機單元接收數據流程圖示于圖5。
圖5 程序流程圖
結語
筆者所設計的系統實現了開關信號的多點監測，一個主機單元，32個從機單元，每個從機單元監測32個開關，該系統共可監測1024個開關，使用 9600bps的波特率。采用主從召換的方式，開關信號監測的反應時間一般要用20-30s，使用該種總線檢測的方式，開關信號的反應速度最慢也不超過 1s，快時只有幾百ms，大大提高反應時間，并且由于不用時時召喚，總線數據流少，提高了總線的穩定性。
參考文獻：
1. 李朝青著，PC機及單片機數據通信技術，北京航空航天大學出版社
2 田澤著，嵌入式系統開發與應用，北京航空航天大學出版社
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