在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用RS-485通信接口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機(jī)之間中長距離通信的諸多方案分析來看，RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警、工業(yè)控制、煤礦安全等領(lǐng)域。但RS485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此對(duì)RS-485進(jìn)行隔離保護(hù),提高其可靠性至關(guān)重要。

　　RS485總線系統(tǒng)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，RS485半雙工異步通信總線是被各研究機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信總路線，它往往應(yīng)用在集中控制樞紐和分散控制單元之間。系統(tǒng)如圖1所示

　　在實(shí)際應(yīng)用中，分散控制單元往往數(shù)量較多，分布較遠(yuǎn)，現(xiàn)場存在各種干擾，可靠性不高。再加上軟硬件設(shè)計(jì)不完善，使得如何在工業(yè)應(yīng)用中保證RS485的可靠性成為各研發(fā)人員的一塊心病。

　　在設(shè)計(jì)485通信系統(tǒng)時(shí)如果按照常規(guī)的電路設(shè)計(jì)，會(huì)存在以下幾點(diǎn)問題：

　　1、通信數(shù)據(jù)收發(fā)可靠性問題。

　　2、在多節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)中，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障（死機(jī)），往往會(huì)使得整個(gè)通信系統(tǒng)的框架崩潰，而且給故障排查帶來困難。

　　3、由于現(xiàn)場總線上的各種高壓信號(hào)干擾，在長距離的傳輸中必須采取隔離措施，隔離器的性能也真接影響RS485的通信質(zhì)量。

工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常要采集多點(diǎn)數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào)，一般用到RS485總線，使用一主帶多從的通信方式，該種方式接線方便只需要兩根屏蔽電纜線，通信距離遠(yuǎn)大可支持1500m，加中繼器還可延長通信距離，采用差分信號(hào)方式抗電磁干擾好。但該方式通信速度不能太快，一般采用主從召喚的方式采集各子單元的數(shù)據(jù)，即主單元依次召喚各子單元（見圖1），召喚到哪個(gè)單元哪個(gè)單元上傳數(shù)據(jù)，總線的使用權(quán)*由主單元分配，各子單元不能擅自占領(lǐng)總線。如果系統(tǒng)的單元多，主單元循環(huán)采集一周的時(shí)間就很長，子單元信息變化時(shí)不能及時(shí)發(fā)送給主單元，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)突變事件的反應(yīng)處理速度慢。本文通過總線狀態(tài)檢測、從機(jī)主動(dòng)上發(fā)的方式解決。

圖1 常規(guī)RS485總線主從方式接口圖

　　硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)由主單元和多個(gè)子單元組成（圖2），主單元包括：ARM7微控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、與子單元通信RS485、與主單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源；子單元包括：MSP430單片機(jī)、與子單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　主單元

　　ARM微控制器是主單元的核心，采用三星32位ARM7TDMI內(nèi)核芯片S3C44B0，該芯片高處理速度可達(dá)76MHZ，總線開放，可外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器FLASH和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM，該系統(tǒng)外擴(kuò)了SST公司生產(chǎn)的39VF1601和現(xiàn)代生產(chǎn)的HY57V641620HG，2個(gè)UART串行接口，使用ADI的隔離RS485芯片ADM2483進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換，總線狀態(tài)檢測使用74HC125三態(tài)門芯片。

　　子單元

　　子單元的微控制器使用TI的MSP430F133單片機(jī)，該單片機(jī)處理速度可達(dá)8MHz，8K字節(jié)片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)，256K字節(jié)片內(nèi)SRAM。

　　電源電路

　　電源電路采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源輸入電壓范圍比較寬，輸出直流電壓5V，通過SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片輸出3.3V電源。RS485需要的隔離5V電源通過DC-DC模塊得到。

　　總線檢測電路

　　總線狀態(tài)檢測使用74HC125三態(tài)門芯片和單片機(jī)的兩個(gè)I/O（圖3），當(dāng)系統(tǒng)都不使用總線時(shí)，每個(gè)單元的74HC125都輸出高阻狀態(tài)，此時(shí)總線為低電平，當(dāng)有單元要使用總線時(shí)，他首先檢測總線狀態(tài)，如果總線為低電平，該單元迅速把74HC125改為輸出狀態(tài)，此時(shí)總線變?yōu)楦唠娖?，該單元占領(lǐng)總線，往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成再把74HC125改為高阻狀態(tài)。如果檢測到總線是高電平，等待檢測，直到總線變低后再占領(lǐng)總線。

圖3 總線檢測電路

　　隔離485電路

　　使用ADI的ADM2483芯片進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換（圖4），該芯片屬于隔離485，雙電源供電輸入輸出隔離。

圖4 隔離485電路

　　軟件設(shè)計(jì)

　　主機(jī)程序部分需要實(shí)現(xiàn)各從機(jī)上傳數(shù)據(jù)的接收、處理和上傳。主機(jī)接收子單元信息通過一個(gè)RS485串口實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式為16進(jìn)制，數(shù)據(jù)位8位，1 個(gè)起始位，1個(gè)結(jié)束位，無寄偶校驗(yàn)位，波特率9600bps。采用串行口中斷的方式接收，主機(jī)程序初始化完成后等待各從機(jī)發(fā)送信息，當(dāng)主機(jī)接收到*個(gè)字節(jié)后，判斷該字節(jié)是否為設(shè)備號(hào)，如果不是設(shè)備號(hào)，接收個(gè)數(shù)清零，如果是設(shè)備號(hào)繼續(xù)接收第二個(gè)字節(jié)；判定第二個(gè)字節(jié)是否為正確的功能碼，如果功能碼錯(cuò)誤，接收個(gè)數(shù)清零重新接收，功能碼正確；接收第三個(gè)字節(jié)，該字節(jié)為從單元發(fā)送信息的字節(jié)個(gè)數(shù)x，計(jì)算從單元發(fā)送總字節(jié)個(gè)數(shù)為M=X+3+2,3個(gè)開頭字節(jié)和2個(gè) CRC校驗(yàn)碼，主機(jī)接收到M個(gè)字節(jié)后，首先判斷CRC校驗(yàn)碼是否正確，錯(cuò)誤舍棄所有信息，正確則把從單元的信息保存到數(shù)據(jù)區(qū)，該次接收結(jié)束，主機(jī)繼續(xù)等待接收。

　　信息的上傳通過一個(gè)RS232串口實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主機(jī)接收到從機(jī)信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)從單元信息發(fā)生變化，主機(jī)準(zhǔn)備把從機(jī)信息發(fā)送到上位機(jī)，首先重新初始化發(fā)送緩沖區(qū)，然后通過中斷的方式依次發(fā)送信息到上位機(jī)，發(fā)送信息包括設(shè)備號(hào)、功能碼、發(fā)送字節(jié)個(gè)數(shù)、信息字節(jié)和CRC校驗(yàn)碼。

　　主機(jī)單元接收數(shù)據(jù)流程圖示于圖5。