TCN 項(xiàng)目中基于RS-485通信的工程應(yīng)用研究

徐蔚中

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

當(dāng)今列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN，Train Communication Network）正朝著高速率、多功能、大數(shù)據(jù)量等方向飛速發(fā)展，與現(xiàn)代社會(huì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和信息科技領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)相吻合。目前行業(yè)內(nèi)的TCN 主要是基于多功能車輛總線（MVB，Multifunction Vehicle Bus）和絞線式列車總線（WTB，Wire Train Bus）來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，并且正朝著基于列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議（TRDP，Train Real-time Data Protocol）的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)（ECN，Ethernet Consist Network）方向發(fā)展和推廣。與此同時(shí)，在實(shí)際的TCN 應(yīng)用中，由于技術(shù)、成本等原因，還可能存在著其他形式的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和接口。RS-485 通信就是其中一種，由于其雙絞線式總線成本低廉、抗干擾力較強(qiáng)、傳輸速率較高、便于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，仍有著較為廣泛的應(yīng)用。本文將結(jié)合工程項(xiàng)目中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)RS-485主從通信接口轉(zhuǎn)換技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究和分析，形成公式，便于理解其技術(shù)要點(diǎn)，并助力于工程應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 基本原理和項(xiàng)目實(shí)踐介紹

實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用的接口示意簡(jiǎn)化圖如圖1 所示，主設(shè)備Master 和從設(shè)備Slave 均有兩個(gè)冗余接口（Port1和Port2），接口均為UART（通用異步收發(fā)器）。主、從設(shè)備上的每個(gè)接口均通過(guò)RS-485 總線與對(duì)方設(shè)備的對(duì)應(yīng)接口連接，總線為差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式，半雙工通信。主、從設(shè)備間通過(guò)Port1 連接組成通道1，通過(guò)Port2連接組成通道2。

圖1 RS-485 主從通信接口示意

需要主從通信雙方協(xié)商確定的接口設(shè)置主要有表1所示幾項(xiàng)（參數(shù)為示例值）。

表1 通信接口主要參數(shù)設(shè)置

示例為半雙工主從通信機(jī)制，僅Master 設(shè)備能夠根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議，輪詢周期每50ms 主動(dòng)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)幀，作為通信請(qǐng)求。Slave 設(shè)備在收到Master 設(shè)備的請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)過(guò)呼吸時(shí)間延時(shí)，根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議發(fā)出響應(yīng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行回復(fù)響應(yīng)[2]。Master 的請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀將同時(shí)從通道1 和通道2 發(fā)送至Slave 設(shè)備，Slave 設(shè)備默認(rèn)從通道1 進(jìn)行響應(yīng)回復(fù)。Slave 設(shè)備如果連續(xù)5 個(gè)輪詢周期（250ms）內(nèi)均未收到Master 設(shè)備的請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀，則切換至通道2 進(jìn)行回復(fù)響應(yīng)。若Master 設(shè)備在連續(xù)10 個(gè)輪詢周期（500ms）內(nèi)均未收到Slave 設(shè)備的響應(yīng)回復(fù)，則視為通信異常。

上述UART 接口配置中的數(shù)據(jù)格式即為RS-485 通信的數(shù)據(jù)層協(xié)議。每次即將開(kāi)始傳送一個(gè)字符時(shí)，先發(fā)出一位邏輯“0”信號(hào)作為起始位，隨后開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸（本示例項(xiàng)目為8 位）。奇偶校驗(yàn)位通過(guò)將該bit 位置位為邏輯“1”或“0”，來(lái)控制數(shù)據(jù)中的邏輯“1”的數(shù)量為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)），本示例項(xiàng)目不配置奇偶校驗(yàn)位。

本字符傳輸結(jié)束后，隨即發(fā)出1 位、1.5 位或2 位高電平，作為字符傳輸結(jié)束的標(biāo)志。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備都有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的不同步現(xiàn)象。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供設(shè)備收發(fā)接口校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)，適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。

實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用層另需雙方定義應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，示例Master 設(shè)備發(fā)送至Slave 設(shè)備的請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀協(xié)議為30 個(gè)字節(jié)，Slave 設(shè)備發(fā)送至Master 設(shè)備的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀協(xié)議為10 個(gè)字節(jié)，幀頭和幀尾標(biāo)識(shí)均為固定值，數(shù)據(jù)幀的序號(hào)為0-255 逐幀增加，累計(jì)至255后重新賦值為0，以便區(qū)分不同數(shù)據(jù)幀。CRC 校驗(yàn)結(jié)果為針對(duì)B1 至B26/B6 數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)結(jié)果（具體校驗(yàn)算法可結(jié)合實(shí)際確定）。

2 存在的問(wèn)題與初步分析

在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)存在偶發(fā)性通信異常問(wèn)題，導(dǎo)致應(yīng)用業(yè)務(wù)故障，獲取實(shí)際總線數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在錯(cuò)亂的情況。

正常情況下在50ms 的輪詢周期中，應(yīng)為Normal所示每個(gè)輪詢周期一幀請(qǐng)求數(shù)據(jù)后跟隨一幀響應(yīng)數(shù)據(jù)的情況。而異常情況下，會(huì)出現(xiàn)Error 所示三種情形：1、請(qǐng)求數(shù)據(jù)后跟隨多幀響應(yīng)數(shù)據(jù)；2、請(qǐng)求數(shù)據(jù)后無(wú)響應(yīng)數(shù)據(jù)；3、數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，數(shù)據(jù)幀不完整。

結(jié)合基本原理和項(xiàng)目實(shí)際情況分析，由于RS-485半雙工通信的特點(diǎn)，總線上同一時(shí)間僅能夠供給1 個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，所以需采用主從輪詢的方式進(jìn)行通信[3]。某一設(shè)備在檢測(cè)到總線上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，應(yīng)不允許自身數(shù)據(jù)發(fā)送。若同一時(shí)間雙方或多方設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則在總線上會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。此處的異常情形3即為主從雙方設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致主設(shè)備的輪詢數(shù)據(jù)無(wú)幀頭（數(shù)據(jù)碰撞導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂）。異常情形1 為從設(shè)備自身未考慮半雙工通信的特點(diǎn)，在收到主設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)后多次重復(fù)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。異常情形2 為從設(shè)備采樣檢測(cè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)周期不滿足要求，以及接收到的主設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或不完整，導(dǎo)致無(wú)法正確發(fā)出響應(yīng)數(shù)據(jù)。

因此在實(shí)際的運(yùn)用實(shí)踐中，需結(jié)合通信方式和實(shí)際配置的特點(diǎn)，對(duì)涉及的接口參數(shù)和程序開(kāi)發(fā)形成正確引導(dǎo)[4]，故對(duì)此類通信接口的特性展開(kāi)研究是很關(guān)鍵的。

3 細(xì)化分析與研究

示例的半雙工主從通信過(guò)程示意圖如圖2 所示，描述了一個(gè)通用示例周期的主從通信過(guò)程。在每個(gè)通信輪詢周期中，主設(shè)備傳輸完一幀請(qǐng)求數(shù)據(jù)，且從設(shè)備正確接收后，應(yīng)反饋且僅反饋一次響應(yīng)數(shù)據(jù)幀。圖中標(biāo)出了各個(gè)關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)，其值為示例值。圖中參數(shù)具體含義如表2 所示。

圖2 RS-485 通信過(guò)程通用示意

表2 通信過(guò)程時(shí)間參數(shù)說(shuō)明

由于實(shí)際的程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間等都存在難以避免的誤差，所以實(shí)際情況下上述所有參數(shù)都是理論值。尤其是主設(shè)備的tRound 與從設(shè)備的tCheck 之間不可能完全同步，導(dǎo)致二者時(shí)間會(huì)存在著各種程度的錯(cuò)位（圖中體現(xiàn)為tCheck 與tRound 開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間點(diǎn)的錯(cuò)位），因此需考慮最差情況下的通信情形，以明確tCheck 的參數(shù)設(shè)置要求。

分析可知，各參數(shù)之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：

tBlind+n*tCheck+tResponse≤tRound（n ≥1）

tResponse≥tBreath+tAck

另外，理論上tBlind≤tReq，最差情況下出于預(yù)留應(yīng)考慮tBlind ≥tReq。

現(xiàn)擬定擬定tBlind=tReq tCheck，tResponse=tBreath+tAck，可得知tCheck 應(yīng)滿足：

tCheck ≤（tRound-tBlind-tResponse）/n（n ≥1）

其中tReq 與tAck 需根據(jù)通信接口波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸格式和應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。例如示例項(xiàng)目波特率為38.4kbps，傳輸每個(gè)字符（Byte）需消耗1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)停止位，共計(jì)10bit。請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀為30Byte，響應(yīng)數(shù)據(jù)幀為10Byte，可得知傳輸請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀和響應(yīng)數(shù)據(jù)幀分別需要7.8125ms 和2.6042ms。

為便于計(jì)算與預(yù)留時(shí)間余量，設(shè)定tReq=10ms，tBreath+tAck=10ms，則示例中tCheck 最大設(shè)置值（n=1時(shí)）應(yīng)滿足tCheck ≤30ms。且從設(shè)備應(yīng)保證每次正確接收完請(qǐng)求數(shù)據(jù)后僅發(fā)送一幀響應(yīng)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)RS-485 通信的原理及應(yīng)用情景介紹和研究，深入了解了其在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方式和技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)踐指出了在工程項(xiàng)目實(shí)踐中需要避免的問(wèn)題點(diǎn)，分析研究了通信接口應(yīng)用參數(shù)的關(guān)系，最終以公式化的形式總結(jié)出其限制條件，對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)形成了引導(dǎo)性結(jié)論。在應(yīng)用實(shí)踐中可參考本文內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和問(wèn)題排查，避免工程應(yīng)用中出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致的通信故障和功能缺陷，提高應(yīng)用工程的效率和穩(wěn)定性，保障實(shí)踐應(yīng)用的安全。