RS-485多從機競爭的解決方案

                                                          -- 武漢波仕電子公司-代先生

    在RS-485多機通信中，往往會出現多個從機同時向主機發送數據。比如在RS-485溫度測量系統中，多個RS-485從機的溫度測量值只要超過報警點就立即向主機發送報警信息，但是這也可能會出現2個或者2個以上的RS-485從機同時向主機發送報警信息。如果不采取RS-485競爭解決機制，那么就可能會導致2個從機同時發送的信息重疊，這樣主機就無法接收到正確的信號，嚴重的還可能導致整個RS-485系統的崩潰。傳統的解決方案是由主機循環輪流對各個RS-485下位機點名通信，這雖然解決了RS-485多從機的競爭，但是同時延誤了實時報警信息。本文介紹的新方案之一能夠識別從機發送信號的時間順序，先發送的從機信號可以同時抑制其他從機的RS-485發送信號，只有等先發送信號的從機發送完畢之后其它從機才能夠發送RS-485信號。本文介紹的新方案之二可以讓下位機能夠主動發送自己的地址，這樣就無需主機對各從機進行輪流查詢。本文介紹的新方案之三是將從機轉換為不同的波特率，由于主機每次只能夠接收某一種波特率的信號，這樣就完全避免了多從機的競爭。本文中的“上位機”即“主機”，“下位機”即“從機”。

   1、在RS-485總線中接入RS-485智能共享器

      2路RS-485對1路RS-485智能共享器（型號：HUB2485Z）本來是用于兩個RS-485上位機共同控制一個RS-485下位機的通信連接，在這里我們將HUB2485Z用于兩臺下位機的RS-485口共享一臺上位機的RS-485口。HUB2485Z使RS-485總線同時接2個從機（下位機）。HUB2485Z已經有2個下位機RS-485（1）和RS-485（2）的插座（DB-9針并且配接線端子）和1個上位機的接線端子，無需修改軟件、5V供電。HUB2485Z適用于兩臺下位機的RS-485口同時驅動一臺上位機的RS-485口。HUB2485Z的外型為DB-9（針）/ DB-9（針）轉接盒大小，其中兩個DB-9針的RS-485口均配接線端子。兩個DB-9針的下位機RS-485口，如圖RS-485（1）和RS-485(2)是完全一樣的，可以互換。上位機RS-485為接線端子，位于如圖產品的上側面，與電源接線端子在一起。HUB2485Z需要外接5V電源，配套提供。

 圖1  RS-485智能共享器外形圖

波仕HUB2485Z智能RS-485集線器能夠識別兩個下位機RS-485（1）和RS-485(2)的發送順序，避免同時發送導致的系統癱瘓。也就是說，即使兩個下位機正在同時發送，HUB2485Z會選取發送開始時間領先的下位機正確發送數據，而只有等到這一個下位機的數據發送完畢后，另外一個下位機才可以開始發送數據。HUB2485Z的具有雙向通信功能，當上位機發送時，兩個下位機同時接收到相同的數據，并不區分地址。

圖2  RS-485智能共享器使用布線圖

在圖2中，舉例說明了同時接4個RS-485下位機的布線圖，實際上還可以一直繼續接下去。以接4個下位機為例，下位機4和下位機3分別接入3號HUB2485Z的RS-485（1）和RS-485（2）口，共享的RS-485口再級聯接入另外一個2號HUB2485Z的RS-485（2）口，2號HUB2485Z的RS-485（1）接下位機2。以此類推，2號HUB2485Z的RS-485（2）口接下位機2，共享的RS-485接到1號HUB2485Z的RS-485（2），1號HUB2485Z的RS-485（1）接下位機1。在這樣的布線結構中，每一個下位機都接入到了HUB2485Z共享器，由于HUB2485Z是可以級聯的，所以非常靈活地接入多個下位機。實際上，1號HUB2485Z的RS-485（1）也可以繼續級聯新的HUB2485Z。 

2、在RS-485總線中接入RS-485地址轉換器

     傳統的RS-485多機通信方案是每次都由主機循環輪流對各個RS-485下位機點名通信，主機先發送被呼叫的從機的地址，總線中每一個從機都將這個地址信號與自己的地址進行比較，地址一樣就繼續也主機通信，不一樣就不與主機通信。這樣可能存在的問題就是從機發送的信號是可以不帶本從機地址的，因為主機已經發送了從機地址信息，緊接著收到的從機信號一定就是這個被點名的從機的信號，而且從機信號不帶地址可以極大簡化主機的信號處理程序。從機發送的信號不帶從機地址就會限制RS-485多機通信的實時性，比如RS-485多機溫度測量系統就不能夠實時報警，因為主機不知道發送報警信號的從機的地址。

  圖3   為RS-485下位機加上地址

     波仕電子的DIZ485地址串口轉換器用于實現串口（同時支持RS-232和RS-485）之間的帶地址的轉換。通過跳線設置地址編碼，DIZ485可以將串口接收到的數據附加上地址編碼發送出去，也可以將帶地址編碼的串口數據送到對應地址的轉換器的串口。 DIZ485與其它同類產品相比的特點是可以識別下位機的地址、下位機可以主動發送帶地址的數據。 波仕DIZ485地址串口轉換器的外形為DB-9/DB-9轉接盒大小，如圖，產品左邊為主串口，包括DB-9孔的RS-232口，和標明為A1、B1的RS-485口。右邊為從串口，包括DB-9針的RS-232口，和標明為A2、B2的RS-485口。左上側J2、J1、J0為波特率設置的跳線，右上側K2、K1、K0為地址編碼設置的跳線，下面中間為5V電源接線端子。

DIZ485 使用非常方便。首先根據波特率進行波特率跳線設置，然后跳線設置本產品的地址。通信規則：主串口數據=地址碼+從串口數據   如果主串口收到 ###1:1234567，那么地址為1的產品的從串口發送出 1234567（地址不是1的產品的從串口不發送任何數據），就是去幀頭。地址碼就是在K2、K1、K0跳線設置值的前面加3個井號（###）和后面加一個冒號（：）的英文字符。如果地址為1的產品的從串口收到abcdefg ,則主串口發送出###1:abcdefg 就是加幀頭。

加入RS-485地址轉換器可以使得RS-485從機可以隨時主動向上位機發送消息，因為信號中自動加上了從機地址信息，這樣主機就可以識別下位機。

3、在RS-485總線中接入串口波特率轉換器

RS-485多機通信，本來是要求通信的雙方波特率等通信格式一樣才可以通信成功。可是為了解決在這種情況下出現RS-485多從機競爭的問題，波仕電子在世界上首次提出了一種多波特率的多機通信方式。本來是相同波特率的RS-485從機設備，我們人為地將從機進行串口波特率的轉換。當多個從機都轉換為不同的波特率后，由于每個RS-485從機發送信號的波特率不同，而主機同一時間只能夠收到某一種波特率的信號，這樣就自然避免了多從機同時發送的競爭問題。本節介紹如何實現串口波特率的轉換。

串口波特率轉換器用于實現不同波特率的RS-485/RS-232口的通信轉換，純硬件跳線設置，無需任何軟件設置。串口波特率轉換器的外形為DB-9/DB-9轉接盒大小，如圖4。串口波特率轉換器的內部有一個帶雙串口的單片機。單片機自動完成兩個串口之間的數據交換。單片機程序用C語言編寫，核心功能就是先將兩個串口UART1和UART2根據跳線設置的狀態進行波特率等初始化設置，然后隨時將UART1接收的數據立即送到UART2的發送區、以及將UART2接收的數據立即送到UART1的發送區。

   圖4  RS-485/RS-232波特率轉換器

上位機串口A的波特率通過產品的J2、J1、J0來設置，下位機串口B的波特率通過產品的K2、K1、K0來設置，見表格。波特率轉換器的兩邊的串口可以分別獨立設置波特率，見下表。

由串口波特率轉換器實現的RS-485多機通信圖與圖3所示的“為RS-485下位機加上地址”的布線結構完全相同。由于每次主機通信程序只能夠設置為某一種波特率，所以也就每次只能給與某一個從機進行通信，其它從機即使同時發送信號但由于波特率不一樣所以也不會對主機產生影響。這種方案的優點之一在于完全無競爭，缺點是最多8個下位機，因為這種串口波特率轉換器只能夠提供8種不同的波特率。這種方案的優點之二在于如果用戶自己可以修改從機的波特率，那么可以實現零成本的解決方案。

本文介紹的3種解決RS-485多從機競爭的方案可以形象地稱為搶答、報名和調頻。這3種方案各有特色，也各有局限性，但是互不排斥。也就是說，這3種方案還可以組合使用。