單片機RS－485多機通訊的實現

尹　紅　唐　煜　

　　摘　要　本文介紹一種能利用RS－485電氣特性和簡單的結構方式，采用自定義串行通信協議，實現單片機RS－485多機通訊的方法和技巧。
　　關鍵詞　單片機，RS－485總線，總線沖突，串行通信

1　簡介
　　RS－485串行總線接口標準以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發送器驅動多個負載設備。工業現場控制系統中一般都采用該總線標準進行數據傳輸，而且一般采用RS－485串行總線接口標準的系統都使用8044芯片作為通信控制器或各分機的CPU。8044芯片內部集成了SDLC，HDLC等通信協議，并且集成了相應的硬件電路，通過硬件電路和標準協議的配合，使系統的通訊準確、可靠、快速。8044在市場上日漸稀少，雖然有8344可替代，但幾百元的價位與普通單片機幾元至幾十元的價位相差甚遠，用戶在開發一般的單片機應用系統時，都希望能用簡單的電路和簡單的通信協議完成數據交換。譬如：利用單片機本身所提供的簡單串行接口，加上總線驅動器如SN75176等組合成簡單的RS－485通訊網絡。本文所述的方法已成功地應用于工程項目，一臺主機與60臺從機通訊，通訊波特率達64KBPS。
2　總線驅動器芯片SN75176
　　常用的RS－485總線驅動芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一個發送器和一個接收器，非常適合作為RS－485總線驅動芯片。
　　SN75176及其邏輯如圖1所示。

　　在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當。
　　當總線上沒有信號傳輸時，總線處于懸浮狀態，容易受干擾信號的影響。將總線上差分信號的正端A⁺和+5電源間接一個10K的電阻；正端A⁺和負端B^-間接一個10K的電阻；負端B^-和地間接一個10K的電阻，形成一個電阻網絡。當總線上沒有信號傳輸時，正端A⁺的電平大約為3.2V，負端B^-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號，卻很難產生串行通信的起始信號0，從而增加了總線抗干擾的能力。
4　通信規則
　　由于RS－485通訊是一種半雙工通訊，發送和接收共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發送狀態。因此要求應答的單機必須在偵聽到總線上呼叫信號已經發送完畢，并且沒有其它單機發出應答信號的情況下，才能應答。半雙工通訊對主機和從機的發送和接收時序有嚴格的要求。如果在時序上配合不好，就會發生總線沖突，使整個系統的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設備在時序上的嚴格配合，必須要遵從以下幾項原則：
　　1) 復位時，主從機都應該處于接收狀態。
　　SN75176芯片的發送和接收功能轉換是由芯片的 RE^* ，DE端控制的。RE^*=1，DE=1時，SN75176發送狀態；RE*=0，DE=0時，SN75176處于接收狀態。一般使用單片機的一根口線連接RE^*，DE端。在上電復位時，由于硬件電路穩定需要一定的時間，并且單片機各端口復位后處于高電平狀態，這樣就會使總線上各個分機處于發送狀態，加上上電時各電路的不穩定，可能向總線發送信息。因此，如果用一根口線作發送和接收控制信號，應該將口線反向后接入SN75176的控制端，使上電時SN75176處于接收狀態。
　　另外，在主從機軟件上也應附加若干處理措施，如：上電時或正式通訊之前，對串行口做幾次空操作，清除端口的非法數據和命令。
　　2) 控制端RE^*，DE的信號的有效脈寬應該大于發送或接收一幀信號的寬度。
　　在RS－232，RS－422等全雙工通訊過程中，發送和接收信號分別在不同的物理鏈路上傳輸，發送端始終為發送端，接收端始終為接收端，不存在發送、接收控制信號切換問題。在RS－485半雙工通訊中，由于SN75176的發送和接收都由同一器件完成，并且發送和接收使用同一物理鏈路，必須對控制信號進行切換。控制信號何時為高電平，何時為低電平，一般以單片機的TI，RI信號作參考。
　　發送時，檢測TI是否建立起來，當TI為高電平后關閉發送功能轉為接收功能；
　　接收時，檢測RI是否建立起來，當RI為高電平后，接收完畢，又可以轉為發送。
　　在理論上雖然行得通，但在實際聯調中卻出現傳輸數據時對時錯的現象。根據查證有關資料，并在聯調中借助存儲示波器反復測試，才發現一個值得注意的問題，我們可以查看單片機的時序：

圖3　串行口模式3時序圖

　　單片機在串行口發送數據時，只要將8位數據位傳送完畢，TI標志即建立，但此時應發送的第九位數據位（若發送地址幀時）和停止位尚未發出。如果在這是關閉發送控制，勢必造成發送幀數據不完整。如果單片機多機通訊采用較高的波特率，幾條操作指令的延時就可能超過2位（或1位）數據的發送時間，問題或許不會出現。但是如果采用較低波特率，如9600，發送一位數據需100μs左右，單靠幾條操作指令的延時遠遠不夠，問題就明顯地暴露出來。接收數據時也同樣如此，單片機在接收完8個數據位后就建立起RI信號，但此時還未接收到第九位數據位（若接收地址幀時）和停止位。所以，接收端必須延時大于2位數據位的時間（1位數據位時間=1/波特率），再作應答，否則會發生總線沖突。
　　3) 總線上所連接的各單機的發送控制信號在時序上完全隔開。
　　為了保證發送和接收信號的完整和正確，避免總線上信號的碰撞，對總線的使用權必須進行分配才能避免競爭，連接到總線上的單機，其發送控制信號在時間上要完全隔離。
　　總之，發送和接收控制信號應該足夠寬，以保證完整地接收一幀數據，任意兩個單機的發送控制信號在時間上完全分開，避免總線爭端。
　　程序流程框圖，參見圖4。其中：a)為發送流程圖；b)為接收流程圖。

注：延時T秒的取值
(1) 傳送地址幀時，T>2X(1/波特率),可以選取T=2.5X(1/波特率)。
(2) 傳送數據幀時，T>1X(1/波特率)，可以選取T=1.5X(1/波特率)。