一種基于協議的提高RS-485總線實時性的設計方案

RS-485總線具有結構簡單、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。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

    通信系統仍舊采用一個主節點、多個從節點的結構，主節點每次在輪詢完一個從節點以后，留出一段空隙時間給從節點按需主動上傳信息。從節點如果有實時性要求的信息需要上傳，除了在主節點輪詢到自身時可以上傳，在空隙時也能上傳。首先規定從節點在空隙上傳數據的先后順序，即上傳機會的獲取機制，一種方法是按優先級分配時間片，從節點只能在獲取了規定的發送機會時利用空隙上傳數據。如果在一個空隙中，有多個從節點需要上傳數據，從節點需要在等待屬于自己的發送機會時偵聽總線的狀態，如果偵聽到總線上已經有其他節點進行了數據傳輸，則從節點必須放棄這次空隙上傳的機會，等待下次空隙。

    通過理論分析可以比較本文提出的新方法與傳統的輪詢方式的實時性。一個傳輸單元由1位起始位、8位數據位、1位校驗位、1位停止位組成，一個傳輸單元的傳輸時間稱為字節時間Tbyte,波特率為baudrate,則：

    設主節點發送的輪詢幀長度為Lmaster,從節點回復的數據幀長度固定為Lslave,從節點數量為N,假設所有從節點都正常，去除收發狀態切換、幀間隔、程序處理等時間影響，則一個輪詢周期Tcycle理想的理論值為：

    若采用本文提出的新方法，假設從節點的有實時性要求的信息平均需x（0xN-1）次空隙才能夠獲取總線，則響應時間Tresponse′平均值為：

當x=N-1時，響應時間Tresponse′zui大值為：

采用新方法的實時數據平均響應時間更短，系統的實時性更好。

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1200b/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1~2min.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1h,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25B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500ms以內，而采用傳統輪詢方法從節點平均響應時間都大于1500ms,較大的甚至大于3000ms,新方法大大提高了系統的實時性。

    從節點幀長度為155B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實時性的設計方案，通過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zui大可以縮短為傳統輪詢方式響應時間的1/N（N為從節點數量）。該方案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。而且采用該方案不需要額外資源、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。

    由式（3）與式（6）可知，采用新方法的響應時間在zui差情況下比傳統輪詢方式的zui差情況的響應時間更長，大約為其2倍。綜合上述分析，新方法與傳統方法的實時性由平均所需空隙次數x決定，新方法適用于各從節點的有實時性要求的信息產生的時間比較離散，碰撞較少的場合。

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。