CN103716219B - 一种基于rs485协议的现场总线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RS485协议的现场总线通信系统，包括工控机核心ARM、主站、从站以及从站扩展子板卡，其中:所述工控机核心ARM与所述主站通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接;所述主站通过RS485通信电缆与从站分别相连构成星型网络拓扑结构，所述RS485转换芯片用于对所述主站和从站之间传输的信号进行差分转换后通过所述通信电缆进行传输;所述从站与从站扩展子板卡之间通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，用于实现所述从站与所述从站扩展子板卡之间的信息交互。本发明所述现场总线通信系统具有系统资源消耗少，底层驱动简单等优势，对于工业自动化控制系统具有可观的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于现场总线通信领域，具体涉及一种基于RS485协议的现场总线通信系统。
背景技术
随着电子信息技术的进步，工业自动化控制的信号传输方式已由传统的模拟量或脉冲信号传输发展成为现场总线的数字信号传输。现场总线技术的出现解决了传统通信数据传输容量小、可靠性差等问题；其次，工业控制的核心也由资源冗余的传统CPU架构逐渐转变成系统简洁经济可裁剪的ARM架构，解决了传统控制核心资源冗余，不经济等问题。因此，针对于ARM的嵌入式控制系统开发现场总线通信系统对于研发基于ARM的控制系统有重要的作用，同时对于基于ARM的控制系统的现场总线通信系统也有极大的价值。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于RS485协议的现场总线通信系统，设计并实现了基于物理层、数据链路层和应用层的总线协议，并且在所搭建的硬件平台上实现了总线协议，解决了工业级设备现场互联的通信网络搭建、通信的稳定性、通信的实时性以及通信的灵活性等问题。
本发明提供了一种基于RS485协议的现场总线通信系统，包括工控机核心ARM、主站、从站以及从站扩展子板卡，其中：
所述工控机核心ARM与所述主站通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，所述工控机核心ARM读取所述主站的FPGA中的缓存数据，并向所述主站的FPGA中写入缓存数据；
所述主站通过RS485通信电缆与所述从站分别相连构成星型网络拓扑结构，所述RS485通信电缆的两端分别通过RS485芯片与所述主站和从站相连，所述RS485芯片用于对所述主站和从站之间传输的信号进行差分转换后通过所述通信电缆进行传输；
所述从站与所述从站扩展子板卡之间通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，用于实现所述从站与所述从站扩展子板卡之间的信息交互。
优选地，所述通信系统在数据链路层采用标准串行传输协议，本协议中使用11个字节组成有效数据帧，其中首字节的含义为数据帧含义，中间8个字节表示数据位，末尾2个字节为循环冗余校验码。
优选地，所述RS485通信电缆两端还包括终端匹配电阻，以减少所述通信电缆上的信号反射。
优选地，所述RS485通信电缆加上偏置电阻来防止通信电缆受到干扰。
优选地，所述主站与所述从站之间的通信方式为单机通信，所述主站通过轮询的方式与各从站进行通信。
优选地，所述主站通过轮询的方式与各从站进行通信具体包括：所述主站对通信调度优先级定义四种状态：从站信息扫描、高优先级通信、低优先级通信、中断处理，当主站对所有的从站信息扫描完成后，得到主站与从站间所有通信任务的优先级，然后首先执行高优先级通信任务，高优先级通信任务完成后，执行低优先级通信任务，在预设的实时性周期到来之前，中断低优先级通信任务，当预设的实时性周期到来时，转入执行高优先级通信任务。
优选地，所述主站通过实时调度与所述从站之间进行实时通信。
综上所述，本发明实现了一种基于RS485协议的现场总线通信系统，其优点相对于国际成熟的现场总线通信系统来说，具有系统资源消耗少，底层驱动十分简单等优势，对于工业自动化控制系统来说具有十分可观的应用价值。具体地，本发明的有益效果是：
(1)本发明的物理层协议采用RS485，具有抗干扰性好，性价比高等特点，而且所需要的系统底层驱动也十分简单。
(2)本发明所采用的从站扩展和子板扩展，从两个层次上提高了总线的灵活性，对于用户来说可以用一套装置实现不同的功能。
(3)本发明所支持的单机通信对于通信的稳定性有很大的提高，并且在通讯调度方面采用的是轮询查询的方式，也提高了稳定性而不失灵活性。
(4)本发明所述的总线在数据接收和发送时严格保证了波特率时钟的对准，而且在接收一位数据时进行多次采样，极大程度减小了总线的误码率。
附图说明
图1是本发明的现场总线通信系统示意图；
图2是本发明所构建的优选实施例中的工控机核心ARM的结构示意图；
图3是本发明所构建的优选实施例中主站的结构示意图；
图4是本发明所构建的优选实施例中从站的结构示意图；
图5是本发明所构建的优选实施例中从站扩展子板卡的结构示意图；
图6是本发明的现场总线通信系统的状态机示意图；
图7是本发明实施例的现场总线通信系统的硬件平台；
图8是本发明所构建的优选实施例中的数据帧的结构示意图；
图9是本发明实施例的数据帧结构定义；
图10是本发明所构建的优选实施例中主站与从站间通信状态机示意图；
图11是本发明所构建的优选实施例中主从单机通信的状态机；
图12是本发明所构建的优选实施例中的从站回复帧结构示意图；
图13是本发明所构建的优选实施例中主站命令帧结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的现场总线主要将所有现场级设备通过总线的方式互联，完成了对工业控制所需要控制的电机以及可编程逻辑控制器等执行机构的数字化控制。用户可以通过应用层访问总线进行总线数据的交互，从而实现总线式数字化控制的功能。
如图1所示，为本发明的现场总线通信系统示意图，所述现场总线通信系统主要包括：工控机核心ARM1、主站2、从站3以及从站扩展子板卡4，其中：
所述工控机核心ARM1与所述主站2通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，所述工控机核心ARM1读取所述主站的FPGA中的缓存数据，并向所述主站2的FPGA中写入缓存数据；
所述主站2通过RS485通信电缆与从站3分别相连构成星型网络拓扑结构，所述RS485通信电缆的两端分别通过RS485芯片与所述主站2和从站3相连，所述RS485芯片用于对所述主站2和从站3之间传输的信号进行差分转换后通过所述通信电缆进行传输；
所述从站3与所述从站扩展子板卡4之间通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，用于实现所述从站3与所述从站扩展子板卡4之间的信息交互。
所述工控机核心ARM1与主站2集成在核心板卡，从站3和从站扩展子板卡4作为远程I/O集成在一套装置，这两套装置通过通信电缆连接，并通过RS485芯片进行差分信号的转换及处理。两个部件分别采用不同的电源供电，以信号线作为连接。所述工控机核心ARM1完成的是对整个通信系统的合理调度以及数据的交互，主站2完成的功能是接收ARM的指令并操作总线，从站3完成的功能是响应总线上的命令，从站扩展子板卡4是根据从站3接收数据将数据送入执行机构，便于所有装置能方便接入通信系统。
如图2所示为本发明所构建的一个优选实施例中工控机核心ARM1的结构示意图，所述工控机核心ARM1包括RTlinux驱动层11和系统应用层12，所述系统应用层12调用API函数来完成对整个总线的控制，所述RTlinux驱动层11则为应用层的调度提供了良好的接口。
如图3所示为本发明所构建的一个优选实施例中主站2的结构示意图，所述主站2具体包括：主站FPGA 21和RS485芯片22，其中，主站FPGA包括与linux操作系统的交互层211、应用层212和数据链路层213，这三个层次之间的连接都是依靠FPGA的内部产生的总线来完成的；而RS485芯片22包括物理层221，实现差分信号的传输和处理。
如图4所示为本发明所构建的一个优选实施例中从站的结构示意图，所述从站3具体包括：从站FPGA 32和RS485芯片31，其中，所述从站FPGA包括数据链路层321、应用层322和子板卡交互层323，这三个层次之间的连接都是依靠FPGA的内部产生的总线来完成的，其中，所述数据链路层321完成的是对数据帧的解析和打包的过程，所述应用层322完成的是数据交互调度的过程，所述子板卡交互层322完成的是与执行机构的数据交互；而RS485芯片22包括物理层221，实现差分信号的传输和处理。
如图5所示为本发明所构建的一个优选实施例中从站扩展子板卡的结构示意图，根据实际中需要控制的执行机构的信号类型，可以将所需要驱动的从站扩展子板卡分为输入子板41、输出子板42、轴口子板43和数模和模数转换子板44，用来完成对各种执行机构的控制。
如图6所示，为本发明所述现场总线通信系统的状态机。为扩展系统灵活性，在系统每次上电时都需要对所接入的设备进行一个初始化操作，确认所接入网络的设备，然后再进行正常操作的状态。而在两种操作态下都有可能产生错误态，产生错误态后都会跳入空闲态而进行接下来的操作。在初始化态下，完成的是对总线系统中接入的设备进行识别的一个过程，能为接下来的通信打下基础；在正常操作态下，控制系统依据接入的设备类型进行有效的调度通信；在错误态下，完成的是对所有通信过程中产生错误的纠正，便于不影响接下来有效的通信。
如图7所示，为本发明的硬件平台架构。通信信道的核心为FPGA，通过逻辑编程可完成通信的调度和实现，ARM为调度整个通信的核心部分。
如图8所示，为本发明的字节定义，确保了一个字节的正常接收，包含起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。
如图9所示，为本发明的数据帧结构定义，由多个字节组成的具有实际意义的比特流，包含帧头、数据区和帧尾校验。其中，1个字节的帧头表示的是整串数据的含义，8个字节的数据区表示实际有意义的数据，2个字节的帧尾表示的是整串数据的CRC16的校验。
如图10所示，为本发明实时性通信的状态机。为保证所设定的实时性周期T1的要求，发明的状态机包含4个状态。系统会首先需要等待主站对从站信息的扫描过程的完成，因为扫描的从站的信息是整个通信系统的基础。在从站信息扫描完成后，首先进行的是高优先的通信，然后进行低优先级的通信，但是一旦T2(范围为0.9T1<T2<T1,具体应根据所设定的T1来决定)看门狗时钟到来时就会中断低优先级的通信过程，空闲总线等待下一次的高优先级通信，例如，设定的实时性周期为8ms，中断看门狗时钟就可以选择7.47ms。
如图11所示，为本发明主从单机通信的状态机。主从交互模块接收到主站核心控制模块的发送信号的触发信号就会进入向发送模块写入指令的状态，在这个状态下，主从交互模块所完成的功能为将核心控制模块的命令控制指令传输给发送模块，通过RS485总线发送给从站，然后等待从站的响应。
从站只有两种反应，一种是总线上无数据或者数据错误，另一种是指定从站响应了主站的命令，然而对于第一种状态从站无响应必须要设置一个看门狗，在规定的时间里必须响应，否则就会被认为是无响应；在规定看门狗时钟(如图11所示的2ms)时间内接收到数据，就进入了接收从站信息的状态；若在看门狗时钟到来并且没有接收到信号时，进入从站无响应状态，在这个状态下，不存入数据，而是进入空闲态，然后进行重发命令帧，重发的次数为3次，如果3次都没有响应，则认为该从站不存在，而转入下一个从站进行通信。
如图12所示，为本发明从站回复命令帧定义。遵照数据帧结构的定义，主要在帧头部分的帧定义的实际含义，一共有8位，其中高4位表示从站发给主站的物理地址，规定为0000，而低4位则表示是对从站的操作命令，如低4位1000表示对设备识别命令的回复。
如图13所示，为本发明主站命令帧定义。遵照数据帧结构的定义，主要在帧头部分的帧定义的实际含义，一共有8位，其中高4位表示主站发给指定从站的物理地址，而低4位则表示是对从站的操作命令，如低4位0000表示设备识别的命令。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于RS485协议的现场总线通信系统，其特征在于，包括工控机核心ARM、主站、从站以及从站扩展子板卡，其中:
所述工控机核心ARM与所述主站通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，所述工控机核心ARM读取所述主站的FPGA中的缓存数据，并向所述主站的FPGA中写入缓存数据;
所述主站通过RS485通信电缆与所述从站分别相连构成星型网络拓扑结构，所述RS485通信电缆的两端分别通过RS485转换芯片与所述主站和从站相连，所述RS485转换芯片用于对所述主站和从站之间传输的信号进行差分转换后通过所述通信电缆进行传输;
所述从站与所述从站扩展子板卡之间通过数据总线、地址总线和读写控制信号线连接，用于实现所述从站与所述从站扩展子板卡之间的信息交互。
2.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述通信系统在数据链路层采用标准串行传输协议，本协议中使用11个字节组成有效数据帧，其中首字节的含义为数据帧含义，中间8个字节表示数据位，末尾2个字节为循环冗余校验码。
3.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述RS485通信电缆两端还包括终端匹配电阻，以减少所述通信电缆上的信号反射。
4.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述RS485通信电缆加上偏置电阻来防止通信电缆受到干扰。
5.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述主站与所述从站之间的通信方式为单机通信，所述主站通过轮询的方式与各从站进行通信。
6.如权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述主站通过轮询的方式与各从站进行通信具体包括:
所述主站对通信调度优先级定义四种状态:从站信息扫描、高优先级通信、低优先级通信、中断处理，当主站对所有的从站信息扫描完成后，得到主站与从站间所有通信任务的优先级，然后首先执行高优先级通信任务，高优先级通信任务完成后，执行低优先级通信任务，在预设的实时性周期到来之前，中断低优先级通信任务，当预设的实时性周期到来时，转入执行高优先级通信任务。
7.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述主站通过实时调度与所述从站之间进行实时通信。
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