載波監聽接入管理論文

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摘要：提出了一種附加硬件設備，配合軟件實現了RS485總線上的載波監聽多點接入／沖突檢測協議。滿足了系統的穩定性和可靠性，并且提高了系統的實時性。

關鍵詞：RS485總線半雙工載波監聽多點接入／沖突檢測

智能儀表和現場總線的出現標志著工業控制領域網絡時代的到來，成為工業控制的主流。目前國際上已經出現了多種現場總線和相應的通信協議，但是其系統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控制系統中得到應用。

1RS485總線及現有工作方式的特點

RS485總線以雙絞線為物理介質，工作在半雙工的通信狀態下[1]，即同一時刻，總線上只能有一個節點成為主節點而處于發送狀態，其他所有節點必須處于接收狀態。如果同一時刻有兩個以上的節點處于發送狀態，將導致所有發送方的數據發送失敗，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。整個通信總線系統由一個主節點、若干個從節點組成，由主節點不斷地輪流查詢從節點是否有通信需求。如果有則將總線控制權交給某一從節點，從節點發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點間以類似令牌環的方式傳遞[3]，得到控制權的節點成為主節點，其它節點成為從節點。一個節點在發送完數據的同時，將總線控制權交給相鄰的節點，而這個節點在處理完本節點的通信需求后再把控制權向下傳遞。令牌環式的RS485工作方式如圖1所示。

從通信節點來講，RS485總線上的節點必須具備將自己的驅動器切換到高阻態的功能?眼1?演，以便在發送完數據后不會對總線狀態造成影響。這種驅動器實行發送態—高阻態切換的一個影響是?押從發送數據完畢到設備切換為高阻態，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。這個時間不能太短，否則發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，否則在發送端還未轉為高阻態時其他設備已經開始發送數據，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，以接收從設備的數據。常用設備的轉換延遲是當前波特率發送一個字節的時間。

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控制場合有較大的局限性。主要原因是主從式總線的從節點無發起通信的權利，相互之間的通信需要通過主節點中轉。而“輪主輪從”總線上的各個節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，如果主從式的主節點或者是“輪主輪從”式的獲取令牌的節點出現故障，整個總線的工作將癱瘓，風險過于集中。其次，對驅動器實行“發送態—高阻態”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。

2RS485總線上CSMA／CD的實現

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

已有的一種實現方法[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。用觸發中斷的方式判斷總線上是否有數據傳輸，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，發送數據；然后用監聽自己發送數據的辦法判斷是否發生總線沖突。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，需要利用軟件監聽發送的數據避免總線沖突。系統資源耗費較多，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聽總線狀態的方法，真正實現CSMA／CD協議。同時減少了系統資源的占用率，簡化了總線沖突的判斷。另外實現了驅動器的無延遲自動切換，進一步提高了系統的實時性。該系統工作穩定、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系統框圖

系統由總線狀態判斷邏輯、驅動器自動切換邏輯兩部分組成，如圖3所示。系統資源只占用CPU的3個管腳：RXD、TXD、總線狀態指示腳，不占用任何中斷。在軟件實現方面由于采用了硬件判斷總線狀態而變得非常簡單，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或者總線被短路時，兩個接收器都是高電平輸出，總線狀態為高電平。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，所以當總線出現任何一個確定的邏輯狀態時，都將引起其中一個接收器的輸出變為低電平，這樣總線狀態就變為低電平，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協議的接收器輸入阻抗要求。

2．3驅動器無延遲自動切換邏輯

為了實現驅動器的無延遲自動切換，TXD信號反相后接到驅動器使能，而驅動器輸入直接接地，如圖5所示。這樣處理使驅動器只在數據為0時打開，把數據0發出去。而當數據為1或者無數據時立刻關閉，縮短了切換時間。但是這樣做，使得數據1無法被正常發送出去。為使串行數據能被正確地接收，有兩個辦法產生數據中的1。第一個辦法，使用總線判斷電路中的正向接收器的輸出端?穴OUT＋?雪作為RXD信號，該信號在總線空閑、開路和短路時輸出邏輯1，并且與RXD信號同相。第二個辦法，使用類似MAX3080自帶故障保護（fail－safe）功能的芯片作為接收器。MAX3080將接收器的觸發門限電壓從－200mv～＋200mv調整為－200mv～－50mv，也能夠在總線空閑、開路和短路時輸出邏輯1。如果總線上的每一個節點都使用這些方法，那么所有節點都可以實現驅動器無延遲自動切換而不必擔心數據中的1不能被正確接收。

2．4軟件的實現

發送數據方面，只需將標準串口函數putc（）封裝成一個函數RS485PutString（）發送數據即可。在RS485PutString（）函數中，能夠方便地實現各種總線狀態判斷策略，甚至是CSMA／CD協議，實現載波監聽，邊發送邊監聽。也可以在此函數的基礎上進行諸如定義不同數據包的實時性級別、定義總線超時判斷等高級編程。

該函數的主要流程如圖6。

判斷總線狀態就是簡單地讀取總線狀態判斷電路的輸出，高為空閑，低為總線已被占用。為了減少誤判，通常在判斷總線狀態為空閑后還要繼續判斷一段時間，具體的總線狀態判斷策略要根據通信協議進行調整。

如果判斷總線空閑，即可進行數據發送。在發送過程中可以方便地繼續讀取總線狀態以進行邊發送邊監聽的沖突檢測。一旦發現沖突發生，發送方放棄本次數據傳輸而轉入強化沖突流程（繼續發送幾個0x00以使各方都確認發生了總線沖突），然后再進入總線偵聽流程。以往的RS485總線沖突檢測處理機制是通過對自己所發送的數據進行監聽接收，然后比較接收到的數據與發送的數據是否相符，判斷是否發生總線沖突，在軟件實現上比較復雜。而本系統的沖突檢測非常簡單：發送完一個字節就讀取一次總線狀態指示管腳的狀態，如果發現總線被占用，就是發生了總線沖突。

接收程序方面，因為接收器常開，所以仍然可以使用串行接收器的中斷服務程序，將接收到的數據放入緩沖區，然后由命令解釋程序處理接收到的命令。本質上與RS232的串口通信程序完全一樣，只是如果接收器是常開的話，在自己發送數據時，要記住將串行接收器中斷關閉，發送完畢后再打開，以避免運行不必要的中斷服務程序。

另外，還可以結合驅動器和總線狀態判斷邏輯對總線進行開路和短路的檢測／報警。具體說就是某一個節點使能總線驅動器，然后判斷總線狀態，如果仍然顯示總線空閑，說明總線短路或者總線到總線狀態判斷邏輯之間開路了。

2．5存在的不足之處

該方法中的總線狀態判斷邏輯對邏輯0狀態的要求比較高，需要B線電平比A線高約1.1V才能得到低電平。如果采用總線判斷電路中的正向接收器的輸出端(OUT＋)作為RXD信號，就會因為對邏輯0的要求而不滿足RS485的－200mV門限電平標準。若采用另一個具有故障保護功能的接收器并聯的話，固然能滿足－200mV門限電平標準，但整個節點的輸入阻抗將降低到6kΩ。

以上不足之處都在于無法完全滿足標準RS485總線標準，但在特定條件下是不會影響工作效果的。例如阻抗雖然降低了，但是當節點數不超過16時，是能夠很好地工作的。

實驗表明，這種實現了CSMA／CD的多主式RS485總線工作穩定，可靠性高，大大提高了實時性。特別適合于強調實時性的分布式控制系統，能夠方便地實現點與點之間的控制信息實時交換。