基于RS-485通訊的地址自動分配算法研究

摘要:RS-485通訊網絡通常采用撥碼等手工設置地址，進行網絡識別的方法，網絡地址實現自動分配一直是個難題。本文提出采用隨機函數避開數據沖突，再通過多次沖突檢測的方法避開地址沖突，實現網絡身份的分配和識別。

關鍵詞:RS-485通訊地址，自動分配，沖突檢測

0、引 言

RS-485通訊網絡使用方便、可靠性高、價格低廉，在工業控制、家用電器等領域均有廣泛的應用。在傳統的RS-485網絡設計中，通常使用撥碼開關或者人機輸入方式對從機地址進行設置，故在實際的工程應用中，需要現場手工對地址進行設置，在某些場合很不方便。也有部分應用通過電腦串口軟件對地址進行設置，但是這種方法只能離線設置，設置好再進行工程安裝和組網，故難以適用于一般的工程。隨著電器和設備網絡技術的不斷發展，研究和發展RS-485通訊網絡的地址自動分配算法意義重大。

1、RS-485通訊網絡的結構特點

鑒于需要實現多節點通訊，RS-485通訊網絡使用共享總線的半雙工傳送方式(halfduplex):某一時刻A方只能發送信息，B方只能接收信息，而在另一刻，B方只能發送信息，A方只能接收信息。網絡結構上，采用主機——從機結構方式，一個主機，多個從機實現通訊，主機和從機通過RS-485總線連接在一起。系統簡圖如下圖1所示。

基于RS-485通訊網絡結構特點，要實現通訊首先要進行網絡身份識別。目前最常用的網絡身份識別方法有三種:一通過撥碼開關等硬件設置;二是通過鍵盤和顯示利用人機界面輸入，三是通過電腦串口軟件對地址進行設置。這三種方法最主要的問題是都要人工設置，很多時候現場操作不方便。

2、地址自動分配算法的設計

2.1 算法設計目標

首次上電時，實現RS-485通訊網絡從機地址自動分配和識別，不需要人工干預。以后再次上電記憶原分配的地址。

2.2 算法設計的基本思路

本算法主要參考計算機互聯網的CSMA(Carrier Sense Multiple Access，載波檢測多路訪問)思想。在主機發出地址分配信息時，從機進行數據沖突檢測，首先監聽信道，看當時是否有其它從機發送數據出來。如果信道忙則一直等待到信道空閑，如果信道空閑則延時一個隨機時間，如果信道依然空閑，則回復發送一幀數據。在地址分配期間從機一直檢測其它從機的數據，如果發現有其它從機的地址和本機相同，就檢測到地址沖突，并對沖突的從機重新進行地址分配。隨機時間通過調用隨機函數實現，根據RS-485波特率產生一個毫秒為單位的隨機時間。就這樣，通過實時檢測信道數據和選擇有效的數據發送時間窗口，從而避開數據沖突和地址沖突。這種方法單獨一次不能完全避免沖突，故需要發現沖突再多次重復檢測。

2.3 算法使用假設條件

1)總線上每一幀數據的時間間隔最小為TO。

2)主機點名從機，如果從機沒有回復數據，則點名間隔為Tl;如果從機回復數據，則下一次點名時間為收完從機數據延時T2。

3)T分鐘為地址分配時間，根據網絡的大小進行選擇，要保證有足夠時間將地址分配完。

4)A為偽隨機函數產生的時間，范圍0-(T1-TO)。

4)從機有效地址范圍為1-B。B根據網絡中連接從機的最大數量確定。

5)從機具備記憶功能，可以記憶本機地址。

2.4 算法執行過程

1)上電，所有從機的本機地址初始化為0x00，表示沒有分配地址。

2)從記憶模塊讀取本機地址。如果為有效信(校驗正確，并且在有效地址范圍)，則將記憶的地址作為本機地址。

3)之后的T分鐘內，進行地址沖突檢測和地址自動分配操作。

4)如果已經獲得有效的本機地址，跳到步驟7)進行地址沖突檢測;否則進行地址自動分配。

5)從機本機地址賦值為0x00，表示沒有分配地址。

6)主機依次點名從機，地址從1到B，將有效地址點名一圈。從機監聽總線上主機的一個通訊點名循環數據，記錄所有在線從機地址。并將沒有在線的地址的最小一個作為本機地址。

7)從機監聽總線，發現主機點名地址與本機地址相符，則延時(TO+A)時間，如果總線空閑則回復主機。

8)如果從機在延時(TO+A)時間里，在總線上收到其它從機的數據，即發現數據沖突，則取消本次回復。

9)在有效的時間T內，重復5-9操作，從機在第T分鐘時刻記憶有效本機地址。否則，重復7-9操作。

10)超過T時間，從機無法獲得有效地址，則顯示出錯信息。

2.5 算法流程圖

主機流程圖較簡單，這里不再列出。從機執行算法的流程圖如下:

2.6 算法的驗證

對10個從機節點的小網絡進行驗證。使用9600的波特率，編程中使用的參數:T0為10毫秒，Tl為500毫秒，T2為10毫秒，T為3分鐘，B為15。每次地址都可以自動分配成功。網絡規模增加時，T1、T要相應增大，具體要結合實際應用調整。

3、結束語

本文為了解決RS-485通訊在實際工程中手工設置從機通訊地址導致的不方便問題，通過計算機互聯網通訊的啟發，對RS-485通訊的地址自動分配算法進行了詳細的分析，并給出了具體的實現方法。實踐證明，該算法對中小規模的RS-485通訊網絡是可行的。結合具體的應用，需要對算法假定的具體條件進行調整，特別是參數T1、T、B的匹配性將影響最終的結果。