一種基于協議的提高RS485實時性的方法

摘 要： RS 485總線因其結構簡單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠等優點，在工業控制領域得到了廣泛應用。因為RS 485采用半雙工通信，所以RS 485通信系統一般由一個主節點、多個從節點組成，采用主節點輪詢從節點、從節點受控發送數據的通信方式。這種方式造成系統的通信效率低、實時性差。目前已有的一些研究采用硬件改造和CSMA/CD的方法使系統具有多主結構，從而提高實時性，但是實現較為復雜。提出一種基于協議的提高RS 485實時性的新方法，該方法不需要修改硬件，不需要額外資源，只需要進行簡單的程序修改。實驗結果表明該方法能有效提高系統的實時性。

關鍵詞： RS 485； 實時性； 自定義協議； 實驗驗證

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0010?03

RS 485總線[1]具有結構簡單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優點，因而被廣泛應用于工廠自動化、工業控制、安全監控等領域。RS 485一般采用半雙工的通信方式，即在整個網絡中任一時刻只能有一個節點處于發送狀態并向總線發送數據，如果有兩個或兩個以上節點同時向總線發送數據，將會導致所有發送的數據發送失敗，即所謂的總線沖突。

為了避免總線沖突，整個RS 485通信系統一般由一個主節點、多個從節點組成。數據通信一般采用主節點輪詢各個從節點的方式。各個從節點有自己的通信地址，只有主節點輪詢幀中的地址信息與自己的地址相同時，此從節點才會進行應答，其他從節點則忽略此幀，不做任何處理。這種傳統的主從調度方式雖然不會引起總線沖突，但是也存在著一些局限性。從節點需要發送數據必須等到主節點輪詢到自身，系統的通信效率較低，總線的利用率也較低。每個從節點在一個輪詢周期中只有一次發送數據的機會，有實時性要求的信息得不到及時發送，系統的實時性較差。

為了提高RS 485通信系統的實時性，目前國內外已進行了一些研究工作，大多采用對RS 485進行軟硬件改造使其具有多主結構的方法，使得從節點能夠隨機發送數據。文獻[2]提出的實現方法是將RS 485接口芯片的數據接收引腳通過一反相器接到CPU的外部中斷引腳，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方法判斷是否發生總線沖突，如果發生沖突，則隨機延時一段時間，再重新偵聽發送。文獻[3?4]的方法也與之類似。這些方法一般需要額外的硬件資源，需要對原設備進行硬件改造；方法中提到的碰撞處理一般都采用CSMA/CD[5]的隨機退避算法，實現較為復雜，而且時間不可預計，不能保證實時性要求。

本文提出一種基于協議的新方法，該方法不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡單的修改就能升級RS 485通信系統，提高從節點自主發送數據的能力，從而提高系統的通信效率和實時性。

1 工作原理

2 軟件實現

與傳統輪詢方式相比，新方法的軟件實現的主要不同是從節點空隙時間的處理。其主要包括兩部分，一部分為總線狀態偵聽，一部分為空隙中發送機會的獲取判斷，流程圖如圖1所示。總線狀態偵聽的具體實現方法有許多種，可以使用串口中斷來偵測總線是否有數據傳輸，不需要額外使用其他資源。串口在完整接收完一個字節數據后會產生一個中斷，所以如果從節點在等待自己的時段時產生了串口接收中斷，則表明總線上有數據傳輸，總線為忙碌狀態。

3 實驗與分析

本文針對上述方法進行了實驗測試。實驗環境為：1個主節點、16個從節點、波特率為1 200 b/s、從節點固定幀長度。有實時性要求的緊急數據采用隨機產生的方式，產生的時間間隔為1～2 min。對每個從節點從緊急事件產生到獲取總線的時間進行計時，得到緊急事件的響應時間，持續運行1 h，然后每個從節點對各自的所有響應時間求平均值。從節點幀長度為25 B的緊急事件平均響應時間如圖2所示。其中，實線指示采用上述新方法的測試結果，虛線指示采用傳統輪詢方式的測試結果。由圖可見，采用新方法的所有從節點的平均響應時間在500 ms以內，而采用傳統輪詢方法從節點平均響應時間都大于1 500 ms，較大的甚至大于3 000 ms，新方法大大提高了系統的實時性。從節點幀長度為155 B的緊急事件平均響應時間如圖3所示，從圖中可以得到同樣的結論。

4 結 語

本文提出一種基于協議的提高RS 485實時性的新方法，理論分析和實驗驗證表明：在從節點實時性信息整體產生間隔大于一個輪詢周期的情況下，響應時間最大可以縮短為傳統輪詢方式響應時間的[1N]（[N]為從節點數量） 。該方法非常適用于像氣體數據采集這樣的數據量大、數據變化緩慢、突變數據實時性要求高的場合。而且采用該方法不需要額外資源、不需要改造硬件，只需要進行簡單的程序修改即可實現現有系統的升級，簡單實用，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] BB Electronics. RS?422 and RS?485 application notes [EB/OL]. [2012?09?15]. http：//www. doc88.com/p?31062293897.

[2] 吳軍輝，林開顏，徐立鴻.RS 485總線通信避障及其多主發送的研究[J].測控技術，2002，21（8）：41?43.

[3] 宋曉偉，解大，舒曉瓊，等.基于新型485總線的分布式數據采集控制系統[J].機電一體化，2008（10）：67?71.

[4] 吳忻生，陳安，胡躍明，等.一種實現載波監聽多點接入/沖突檢測的多主RS 485總線[J].電子技術應用，2004（2）：48?50.

[5] 謝希仁.計算機網絡[M].2版.北京：電子工業出版社，1999.

[6] 周杰，郝麗娜，李帥，等.基于RS 485單片機多機串行通信的電子開關設計[J].現代電子技術，2012，35（3）：177?181.