RS485總線的3964（R）協(xié)議設(shè)計

引言

3964（R）協(xié)議是西門子為進行可靠點對點數(shù)據(jù)通訊（PtP）而設(shè)計的標準化開放協(xié)議。對照標準ISO參考模型，3964（R）協(xié)議包含了第一層物理層和第二層數(shù)據(jù)鏈路層的主要內(nèi)容。與ASCII協(xié)議相比，3964（R）協(xié)議中，增加了起始位、停止位、校驗機制和重發(fā)機制，為數(shù)據(jù)和鏈接的安全、可用提供了較好的保障。而與較為復(fù)雜的RK512協(xié)議相比，在簡單PtP應(yīng)用中，取消了報文幀標題、數(shù)據(jù)來源等內(nèi)容，減少了對報文的區(qū)分，簡化了通訊的過程，提高了通訊的效率。因此，該協(xié)議特別適合于通訊內(nèi)容較為簡單但有一定可靠性要求的場合，也非常適宜自行開發(fā)的第三方外圍設(shè)備與西門子系列PLC進行通訊的情況使用。然而，在西門子的產(chǎn)品線中，支持3964（R）的產(chǎn)品如CP340通訊模塊、CP34l通訊模塊、CPU 313—2PtP、CPU 314C-2PtP等，均僅可采用RS422總線，以全雙工方式運行該協(xié)議。本設(shè)計的重點是利用RS485總線，以半雙工方式運行該協(xié)議，在減少電纜芯數(shù)的情況下（全雙工的RS422總線為4芯、半雙工的RS485為2芯），實現(xiàn)3964（R）通訊協(xié)議。

3964（R）協(xié)議

3964（R）協(xié)議的控制字

3964（R）協(xié)議是通過將對通訊協(xié)議的控制字添加到用戶數(shù)據(jù)中，從而解決報文的起止位置確定、鏈路完整性判斷、超時判斷等問題的。控制字既標示了報文的起始位置，更是通訊伙伴“握手”的信號。通訊雙方均是通過收發(fā)控制字表明自己的狀態(tài)和對數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)的。3964（R）協(xié)議的控制字如表1所示。

3964（R）協(xié)議的報文幀

3964（R）通訊協(xié)議的報文數(shù)據(jù)以STX開始，塊校驗字符（BCC）結(jié)束，通過校驗增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性，報文結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3964（R）通訊協(xié)議中的塊校驗字符（Bcc）是該幀正文數(shù)據(jù)中所有字符及報文幀結(jié)束標志（DLE和ETX）的“異或”運算結(jié)果。3964（R）協(xié)議對于正文字符是完全透明的，即任何字符都可以包含在正文中，為了避免接收方將正文中的字符1003H（DLE和ETX）誤認為是報文結(jié)束標志，在正文中出現(xiàn)lOH時，需將10H重發(fā)一遍，即變?yōu)?010H。接收方在處理時也需將其自動處理為10H。

3964（R）協(xié)議的通訊流程

3964（R）協(xié)議在進行數(shù)據(jù)傳輸時，通過sTx和DLE兩個控制字，在發(fā)送方與接收方之間建立起可靠的數(shù)據(jù)鏈接，從而確保傳輸鏈路的可靠和可控。在發(fā)送結(jié)束后，利用BCC和DLE對傳輸?shù)恼臄?shù)據(jù)進行校驗，通過校驗可確保傳輸數(shù)據(jù)報文的正確性。因此，3964（R）協(xié)議是一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。3964（R）協(xié)議的通訊流程如圖2所示。

基于RS485總線機制的3984（R）通訊協(xié)議

在西門子的技術(shù)體系中，3964（R）協(xié)議實現(xiàn)方式以RS422總線通訊方式為基礎(chǔ)通訊方式，RS422是一種通過2路差分電壓方式實現(xiàn)全雙工通訊的總線形式，而RS485則是1路差分電壓信號形式的半雙工通訊總線。根據(jù)第二童的分析可以看出，3964（R）正常通訊過程中，發(fā)送方與接收方依次占用總線，順序進行發(fā)送、接收和總線的移交，因此，利用RS485總線進行3964（R）通訊具備可行性。

RS485總線下的3964（R）通訊協(xié)議，是以RS485總線下的ASCII報文為基礎(chǔ)，即在傳輸過程中將所有控制字、用戶數(shù)據(jù)均作為單個字符進行傳輸。因此，首先需要確定傳輸過程的基礎(chǔ)參數(shù)。根據(jù)西門子PLC主要參數(shù)，可確定傳輸過程中基礎(chǔ)參數(shù)如下：（1）通訊速率：19.2kbps；（2）塊校驗方式：縱向奇偶交驗；（3）字符延遲時間（cDT）：20ms；（4）連接嘗試數(shù)：6次（建立連接失敗后，最大嘗試次數(shù)）；（5）傳輸嘗試數(shù)：6次（傳輸報文幀出錯時的最大嘗試次數(shù)，包括第1個報文）。

由于采用半雙工的RS485通訊方式代替了全雙工的RS422通訊方式，其應(yīng)答等待時間（ADT）則成為通訊流程控制的關(guān)鍵。

建立數(shù)據(jù)連接

3964（R）通訊協(xié)議建鏈過程如圖2所示。為了建立數(shù)據(jù)連接，發(fā)送方首先應(yīng)發(fā)送STX，如在應(yīng)答等待時間（ADT）范圍內(nèi)，接收到了接收方發(fā)送的DLE，則通訊鏈路建立成功，發(fā)送方可開始用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送。如接收方發(fā)回非DLE的其它字符，或應(yīng)答延遲時間到而未應(yīng)答，則發(fā)送方再次發(fā)送STX申請建鏈，直到連接嘗試數(shù)，則放棄建立連接。

基于以上的建鏈流程，在建立數(shù)據(jù)連接時，為了避免半雙工通訊方式造成的數(shù)據(jù)沖突，利用ADT時間的差異，實現(xiàn)沖突的治理。為了確保通訊的可靠性，根據(jù)上下位設(shè)備優(yōu)先級的不同，高優(yōu)先級設(shè)備ADT可選擇為23ms，低優(yōu)先級設(shè)備ADT可選擇為47ms，從而確保低優(yōu)先級設(shè)備等待期間，高優(yōu)先級設(shè)備至少發(fā)起2次通訊。

如在建鏈過程中，發(fā)送方在ADT時間內(nèi)未接收到回復(fù)的DLE或sTx，則表示接收方未完成接收準備，發(fā)送方應(yīng)重新申請建鏈。在一次通訊過程中，申請建鏈次數(shù)不應(yīng)超過連接嘗試數(shù)。如在ADT時間內(nèi)，發(fā)送方接收到了STX，則表示接收方希望獲取總線控制權(quán)，且接收方具有較高的優(yōu)先級，則發(fā)送方應(yīng)由申請發(fā)送狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮瞻l(fā)送狀態(tài)，即應(yīng)發(fā)送DLE獲取鏈接，由發(fā)送方轉(zhuǎn)為接受方。

使用3964（R）協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)

在成功建立數(shù)據(jù)連接后，發(fā)送方將采用選擇的傳輸參數(shù)，將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方。通訊伙伴監(jiān)控接收到相鄰兩個字符間的時間間隔，該時間間隔不應(yīng)超過字符延遲時間（cDT）。在發(fā)送用戶數(shù)據(jù)后，發(fā)送方自動加上DLE、ETX和IBCC。BCC應(yīng)在組裝用戶數(shù)據(jù)過程中，由發(fā)送方實時計算。發(fā)送方在發(fā)送完成后，立即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。

與基于RS422的3964（R）協(xié)議不同，基于RS485的3964（R）協(xié)議在接收數(shù)據(jù)時，以CDT超時和DLE、ETX連續(xù)出現(xiàn)為報文結(jié)束標志。如出現(xiàn)CDT超時，但接收到的倒數(shù)第二、三兩字節(jié)非DLE、ETx或Bcc校驗失敗，則接收方可判斷為報文接受異常，否則視為數(shù)據(jù)接收正常結(jié)束。

當接收方確認報文接收過程正常結(jié)束時，發(fā)送DLE，否則發(fā)送NAK，響應(yīng)時間應(yīng)小于ADT。發(fā)送完成后，收發(fā)雙方均進入總線監(jiān)聽狀態(tài)，確保總線不出現(xiàn)沖突。

如發(fā)送方在發(fā)送完成后ADT時間內(nèi)收到除DLE外的其他內(nèi)容或未收到收方回復(fù)，則應(yīng)重新建鏈傳輸，在一幀通訊過程中，最大建鏈次數(shù)為6次。

應(yīng)用實例

系統(tǒng)組成

如圖3所示，在某防爆系統(tǒng)中，采用PLC為上位機，通過安全柵與本質(zhì)安全型顯控設(shè)備連接，為了減少雙方通訊線纜數(shù)量和接口數(shù)量，采用RS485總線作為數(shù)據(jù)通訊總線，同時，為了提高通訊的可靠性，采用3964（R）協(xié)議進行通訊。

以下上述系統(tǒng)為例，簡要介紹3964（R）協(xié)議控制程序流程。

程序流程框圖

如圖4所示，Rs485總線下的3964（R）通訊程序分為發(fā)送部分和接收兩部分。設(shè)備在啟動發(fā)送之前，首先完成報文拼裝和BCC解算，在進行傳輸過程中，除可正常完成報文發(fā)送外，還可根據(jù)超時重試、重發(fā)等情況報出通訊連接錯誤和通訊故障兩種通訊故障。在進行接收時，根據(jù)設(shè)備繁忙狀態(tài)、等待時間、校驗錯誤、結(jié)束異常等狀態(tài)，發(fā)送NAK報文請求重發(fā)。

測試結(jié)果

目前基于RS485的3964（R）通訊協(xié)議已在圖3所示某防爆系統(tǒng)中予以應(yīng)用，經(jīng)過測試在通訊速率為19200bps的帶寬下，傳輸穩(wěn)定，誤碼率低于0.5%。同時.由于采用了半雙工的RS485總線，總線的使用效率有所提高，特別是對于本安型顯示設(shè)備，采用了RS485總線形式，降低了設(shè)計、安裝的難度。

結(jié)論

本文設(shè)計了基于RS485總線的3964（R）通訊協(xié)議，與西門子基于RS422的3964（R）協(xié)議相比，功能完全一致，但總線通訊效率進一步提高，同時由于減少了通訊所用的信道數(shù)量，使其更適用于防爆設(shè)備特別是本質(zhì)安全型防爆設(shè)備的通訊。而與常用的RS485總線用通訊協(xié)議相比，本文設(shè)計的通訊協(xié)議通過應(yīng)答機制，確保了通訊鏈路的穩(wěn)定和可靠。綜上所述，基于RS485總線的3964（R）通訊協(xié)議具有良好的可用性和實用性，是進行本安型設(shè)備進行通訊系統(tǒng)設(shè)計時的一個較好選擇。