CN103973533B - 隔离型rs485/rs422中继隔离器的波特率识别方法及数据流控制方法 - Google Patents

Abstract

隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法及数据流控制方法，涉及通信技术领域。它是为了解决传统的中继器通常不具有波特率自适应的功能，精度低，导致数据流方向控制实时性差的问题。通过本发明能够完成波特率的自动识别与通信数据流方向控制，大大加强了对数据流方向的控制，同比加强了10％，同时对总线冲突与故障给出相应的提示，精度同比提高了15％；使用高性能信号隔离芯片与隔离电源，实现中继器两端数据的完全隔离。本发明适用于通信技术领域。

Description

隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法及数据流 控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域。

背景技术

RS485/RS422异步通信是目前在工控领域广泛采用的总线标准。当实际节点数目超出最大限制，或是通信距离过远、干扰过大时，如何保证信息的完整可靠传输，是通讯系统中的巨大挑战。实际应用中，一般使用在总线上插入中继器的方式来解决这一问题，如图3所示。在两线制半双工通信系统中，传统的中继器通常不具有波特率自适应的功能，或是具有简单的精度不高的适应性，或是对主机具有一定的依赖性，需要主机发送特定字节完成波特率识别，导致数据流方向控制实时性差，从而使其应用领域受到很多限制。

发明内容

本发明是为了解决传统的中继器通常不具有波特率自适应的功能，精度低，导致数据流方向控制实时性差的问题，从而提供了一种隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法及数据流控制方法。

隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法，该方法通过以下步骤实现，所述步骤包括：

空闲状态步骤：中继隔离器处于空闲状态，接收测量信号，并判断该信号是否有效，判断结果为是，则将i置0，并执行等待步骤；判断结果为否，则返回空闲状态，等待接收测量信号；

其中i表示一个计数值；

等待步骤：该步骤中令第i个测量值cnt[i]＝0，并判断中继隔离器的接收引脚上是否有时钟下降沿，判断结果为是，则执行运行步骤；判断结果为否，则重新执行等待步骤；

运行步骤：该步骤每个时钟上升沿将cnt[i]的值加1，即cnt[i]←cnt[i]+1，并判断中继隔离器的接收引脚上是否有时钟上升沿，判断结果为否，则继续对低电平持续时钟数统计；判断结果为是，则对低电平持续时钟数统计结束，i的值加1，该值表示测量次数，判断i是否等于50时，判断结果为是，则j＝0，j表示计数变量，并执行排列步骤；判断结果为否，则重新执行等待步骤；

排列步骤：该步骤中令i＝0，执行比较步骤；

比较步骤：判断第i个测量值cnt[i]是否大于第i+1个测量值cnt[i+1]，判断结果为是，则交换cnt[i]和cnt[i+1]的值，即tmp←cnt[i],cnt[i]←cnt[i+1],cnt[i+1]←tmp，其中tmp表示中间变量，使得相邻的两个数中后者大，并i的值加1；判断结果为否，则i的值直接加1；

比较步骤完成则判断i是否等于49，判断结果为否，则重新执行比较步骤，判断结果为是，则令j的值加1，并判断j是否为49，若是，则执行求开始序号步骤，若判断结果为否，则重新执行排列步骤；

求开始序号步骤：根据排列步骤和比较步骤，得到cnt[i]的值排列顺序为由小至大排列，判断相邻两个值后者比前者差值是否小于20，即cnt[i]+20>cnt[i+1]，判断结果为是，则令start的值等于i，其中start表示开始序号，并执行求结束序号步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行开始序号步骤；

求结束序号步骤：判断相邻两个值后者比前者差值是否大于20，即cnt[i]+20<cnt[i+1]，判断结果为是，则令stop的值等于i，其中stop表示结束序号，并计算结束序号stop与开始序号start间数据的个数num，即num←stop-start+1，同时令i的值为start的值，sum为0，sum表示所有数据的和，执行求和步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行求结束序号步骤；

求和步骤：令sum等于原sum的值加cnt[i]，判断i的值是否等于stop的值，判断结果为是，则执行计算步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行求和步骤；

计算步骤：令sum除以num得到该方法计算出的数avg，即得到对应一位数据的时间的均值，根据得到的时间的均值计算得出波特率。

隔离型RS485/RS422中继隔离器的数据流控制方法，该方法通过以下步骤实现，所述步骤包括：

空闲状态步骤：接受使能信号有效，发送使能信号无效，判断中继隔离器的左右两个数据接收引脚是否同时出现信号下降沿，判断结果为是，则重新执行该步骤；判断结果为否，即只有左侧或右侧出现信号下降沿，则令cnt为0，并执行等待步骤；该步骤中左右两侧数据接收引脚后续步骤相同；

等待步骤：关闭右侧接收使能信号，打开右侧发送使能信号，并令cnt的值加1，判断cnt的值是否等于10*avg，其中avg为波特率识别中计算出来的数，判断结果为是，则执行检测步骤；判断结果为否，则继续执行等待步骤；

检测步骤：令cnt的值加1，并检测左侧接收引脚上是否存在低电平，若检测结果为否，则令cnt的值为0，并执行等待步骤；若检测结果为是，则进一步半段cnt的值是否等于11*avg，若判断结果为是，则返回空闲状态，若判断结果为否，则继续执行检测步骤。

本发明的有益效果是：通过本发明能够完成波特率的自动识别与通信数据流方向控制，大大加强了对数据流方向的控制，同比加强了10％，同时对总线冲突与故障给出相应的提示，精度同比提高了15％；使用高性能信号隔离芯片与隔离电源，实现中继器两端数据的完全隔离。

如图4所示，隔离电源将输入的12V直流电压通过DC/DC变换技术变换为3组5V、1组12V的稳定直流电源，其中5V电源分别为收发器、隔离芯片和CPLD供电，输出的12V电源可供后电路使用。MAX491为总线收发器，可实现差分信号到TTL电平的转换。采用高速磁隔离芯片ADUM1201实现信号的隔离。TVS管阵列可抑制雷击或浪涌，防止隔离器另一侧通信节点的损坏。

由于使用的隔离电源数目相对较多且电压较低，故采用了推挽拓扑结构，主控制芯片采用TL494CN，原理图如图5所示。其中，+12V输出经PC817(U1)线性光耦输入至控制芯片TL494的误差放大器，以实现电压调整，稳定输出电压。R20为电流取样电阻，当电流过大时，取样电阻上电压增大，通过三极管Q1关断控制芯片的输出，从而达到过流及短路保护的目的。

设计中使用CPLD可编程逻辑器件作为中继器的主控制器。由于CPLD可编程特性是基于硬件逻辑电路的，因此相比于基于微控制器的可编程器件，具有速度快、处理能力强、稳定性高、不易死机的特点。本设计中，使用ALTERA公司的EPM570T144，其具有57个LAB(Logic Array Blocks)、144个引脚，足以满足大多数中小型设计。CPLD主时钟为50MHz，在波特率自动识别时，对于高达1Mbps的波特率误差仅为2％，足以满足大多数设备对波特率精度的要求。指示灯D1、D2、D3分别指示系统正常、总线冲突、总线错误。本设计中CPLD电路原理图如图6所示。

使用TVS管阵列实现防雷防浪涌的功能。输入到中继器的总线信号经防雷防浪涌电路后，由MAX491转成TTL电平，经隔离输入到CPLD逻辑处理后，由另一片MAX491转成差分信号，从而达到中继的目的。电路原理图如图7所示。

附图说明

图1为隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法的状态图；

图2为隔离型RS485/RS422中继隔离器的数据流控制方法的状态图；

图3为RS485/RS422网络中使用中继器的结构图；

图4为RS485中继隔离器结构框图；

图5为隔离电源原理图；

图6为CPLD外围电路原理图；

图7为总线隔离及防雷防浪涌电路；

图8为UART发送一个字节的时序图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法，该方法通过以下步骤实现，所述步骤包括：

空闲状态步骤：中继隔离器处于空闲状态，接收测量信号，并判断该信号是否有效，判断结果为是，则将i置0，并执行等待步骤；判断结果为否，则返回空闲状态，等待接收测量信号；

其中i表示一个计数值；

等待步骤：该步骤中令第i个测量值cnt[i]＝0，并判断中继隔离器的接收引脚上是否有时钟下降沿，判断结果为是，则执行运行步骤；判断结果为否，则重新执行等待步骤；

运行步骤：该步骤每个时钟上升沿将cnt[i]的值加1，即cnt[i]←cnt[i]+1，并判断中继隔离器的接收引脚上是否有时钟上升沿，判断结果为否，则继续对低电平持续时钟数统计；判断结果为是，则对低电平持续时钟数统计结束，i的值加1，该值表示测量次数，判断i是否等于50时，判断结果为是，则j＝0，j表示计数变量，并执行排列步骤；判断结果为否，则重新执行等待步骤；

排列步骤：该步骤中令i＝0，执行比较步骤；

比较步骤：判断第i个测量值cnt[i]是否大于第i+1个测量值cnt[i+1]，判断结果为是，则交换cnt[i]和cnt[i+1]的值，即tmp←cnt[i],cnt[i]←cnt[i+1],cnt[i+1]←tmp，其中tmp表示中间变量，使得相邻的两个数中后者大，并i的值加1；判断结果为否，则i的值直接加1；

比较步骤完成则判断i是否等于49，判断结果为否，则重新执行比较步骤，判断结果为是，则令j的值加1，并判断j是否为49，若是，则执行求开始序号步骤，若判断结果为否，则重新执行排列步骤；

求开始序号步骤：根据排列步骤和比较步骤，得到cnt[i]的值排列顺序为由小至大排列，判断相邻两个值后者比前者差值是否小于20，即cnt[i]+20>cnt[i+1]，判断结果为是，则令start的值等于i，其中start表示开始序号，并执行求结束序号步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行开始序号步骤；

求结束序号步骤：判断相邻两个值后者比前者差值是否大于20，即cnt[i]+20<cnt[i+1]，判断结果为是，则令stop的值等于i，其中stop表示结束序号，并计算结束序号stop与开始序号start间数据的个数num，即num←stop-start+1，同时令i的值为start的值，sum为0，sum表示所有数据的和，执行求和步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行求结束序号步骤；

求和步骤：令sum等于原sum的值加cnt[i]，判断i的值是否等于stop的值，判断结果为是，则执行计算步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行求和步骤；

计算步骤：令sum除以num得到该方法计算出的数avg，即得到对应一位数据的时间的均值，根据得到的时间的均值计算得出波特率。

本实施方式中，RS485总线驱动器使用UART接口来驱动。图8为UART发送1字节数据时的时序图。通常，包含1个起始位(start)、8个数据位(data)、1个奇偶校验位(parity)和1个停止位(stop)，因此，实际发送的位数为11。由于在应用中数据中的0和1是随机的，因此，可以在一段时间内测量1电平或0电平持续的时间，其中最小的值即对应1位数据的时间，由此时间即可计算出实际的波特率。

使用检测0电平的方法实现波特率识别。首先，检测是否存在下降沿，下降沿到来时，启动一个计数器，并等待上升沿到来，当检测到上升沿时，停止计数器。连续重复50次这样的过程可得到50个计数值，并对其进行升序排序(本设计使用冒泡排序法)。由于可能存在干扰，故最小的计数值可能对应于干扰。但干扰是随机的，故其持续的时间也并不是固定的。因此，从最小的数开始，对相邻两个数大小进行比较，若差别小于20，则认为此数对应于发送一个位的时间。对满足这样条件的连续一段数据进行加和，并取平均值，则可得到位时间的均值，由此均值则可求出波特率数值。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式基于具体实施方式一的隔离型RS485/RS422中继隔离器的数据流控制方法，该方法通过以下步骤实现，所述步骤包括：

空闲状态步骤：接受使能信号有效，发送使能信号无效，判断中继隔离器的左右两个数据接收引脚是否同时出现信号下降沿，判断结果为是，则重新执行该步骤；判断结果为否，即只有左侧或右侧出现信号下降沿，则令cnt为0，并执行等待步骤；该步骤中左右两侧数据接收引脚后续步骤相同；

等待步骤：关闭右侧接收使能信号，打开右侧发送使能信号，并令cnt的值加1，判断cnt的值是否等于10*avg，其中avg为波特率识别中计算出来的数，判断结果为是，则执行检测步骤；判断结果为否，则继续执行等待步骤；

检测步骤：令cnt的值加1，并检测左侧接收引脚上是否存在低电平，若检测结果为否，则令cnt的值为0，并执行等待步骤；若检测结果为是，则进一步半段cnt的值是否等于11*avg，若判断结果为是，则返回空闲状态，若判断结果为否，则继续执行检测步骤。

本实施方式中，半双工通信机制中，要保证中继器能完成数据的可靠中继，应该时刻监测两端是否有数据发送，即空闲的时候应使两个收发器都处于接收状态，当监测到一侧收发器上有数据时，应将另一侧的收发器置为发送状态并持续发送一字节，即11位，对应的时间，并在逻辑上连接对应的数据引脚。

当监测到两侧485线路均有数据发送到中继器时，即可认为是总线冲突；同时，接收线路上低电平时间持续时间超过1字节时间(11位)，可以认为是总线故障(短路、断路等)。故障监测逻辑输出使能信号，控制数据流控制逻辑是否运行，同时，通过驱动对应的LED灯，给出相应提示。

当SEL为高电平时，选择四线制全双工电路。此时，该中继隔离器可应用于四线制通信系统中。由于全双工通信系统中数据首发是独立的，因此不需要进行波特率识别，直接将对应的数据引脚在逻辑上连通，并使能相应的收发器使能引脚即可。

对于故障监测，由于四线制系统不存在总线冲突，因此只需考虑总线故障。当数据接收引脚低电平持续时间达到一定时间时，即认为是发生总线故障，此时，要关闭收发器的使能引脚，并给出对应的故障信号。

根据以上思想试制出一样机，接入到基于Modbus协议的可燃气体报警器系统中，通过Quartus II自带的SignalTap对测到的波特率进行读取，经实际测试，对几种常见固定波特率的识别误差如表1所示。

表1常见固定波特率的识别误差

Claims (2)

1.隔离型RS485/RS422中继隔离器的波特率识别方法，其特征在于：该方法使用检测0电平的方法实现波特率识别，首先，检测是否存在下降沿，下降沿到来时，启动一个计数器，并等待上升沿到来，当检测到上升沿时，停止计数器，连续重复50次这样的过程可得到50个计数值，并对其进行升序排序，然后，从最小的数开始，对相邻两个数大小进行比较，若差别小于20，则认为相邻两个数中的前一个数对应于发送一个位的时间，对满足这样条件的连续一段数据进行加和，并取平均值，则可得到位时间的均值，由此均值则可求出波特率数值，该方法通过以下步骤实现，所述步骤包括：

空闲状态步骤：中继隔离器处于空闲状态，接收测量信号，并判断该信号是否有效，判断结果为是，则将i置0，并执行等待步骤；判断结果为否，则返回空闲状态，等待接收测量信号；

其中i表示一个计数值；

等待步骤：该步骤中令第i个测量值cnt[i]＝0，并判断中继隔离器的接收引脚上是否有时钟下降沿，判断结果为是，则执行运行步骤；判断结果为否，则重新执行等待步骤；

运行步骤：该步骤每个时钟上升沿将cnt[i]的值加1，即cnt[i]←cnt[i]+1，并判断中继隔离器的接收引脚上是否有时钟上升沿，判断结果为否，则继续对低电平持续时钟数统计；判断结果为是，则对低电平持续时钟数统计结束，i的值加1，该值表示测量次数，判断i是否等于50时，判断结果为是，则j＝0，j表示计数变量，并执行排列步骤；判断结果为否，则重新执行等待步骤；

排列步骤：该步骤中令i＝0，执行比较步骤；

比较步骤：判断第i个测量值cnt[i]是否大于第i+1个测量值cnt[i+1]，判断结果为是，则交换cnt[i]和cnt[i+1]的值，即tmp←cnt[i],cnt[i]←cnt[i+1],cnt[i+1]←tmp，其中tmp表示中间变量，使得相邻的两个数中后者大，并i的值加1；判断结果为否，则i的值直接加1；

比较步骤完成则判断i是否等于49，判断结果为否，则重新执行比较步骤，判断结果为是，则令j的值加1，并判断j是否为49，若是，则执行求开始序号步骤，若判断结果为否，则重新执行排列步骤；

求开始序号步骤：根据排列步骤和比较步骤，得到cnt[i]的值排列顺序为由小至大排列，判断相邻两个值后者比前者差值是否小于20，即cnt[i]+20>cnt[i+1]，判断结果为是，则令start的值等于i，其中start表示开始序号，并执行求结束序号步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行开始序号步骤；

求结束序号步骤：判断相邻两个值后者比前者差值是否大于20，即cnt[i]+20<cnt[i+1]，判断结果为是，则令stop的值等于i，其中stop表示结束序号，并计算结束序号stop与开始序号start间数据的个数num，即num←stop-start+1，同时令i的值为start的值，sum为0，sum表示所有数据的和，执行求和步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行求结束序号步骤；

求和步骤：令sum等于原sum的值加cnt[i]，判断i的值是否等于stop的值，判断结果为是，则执行计算步骤；判断结果为否，则i的值加1，并重新执行求和步骤；

计算步骤：令sum除以num得到该方法计算出的数avg，即得到对应一位数据的时间的均值，根据得到的时间的均值计算得出波特率。

2.基于权利要求1的隔离型RS485/RS422中继隔离器的数据流控制方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实现，所述步骤包括：

空闲状态步骤：接受使能信号有效，发送使能信号无效，判断中继隔离器的左右两个数据接收引脚是否同时出现信号下降沿，判断结果为是，则重新执行该步骤；判断结果为否，即只有左侧或右侧出现信号下降沿，则令cnt为0，并执行等待步骤；该步骤中左右两侧数据接收引脚后续步骤相同；

等待步骤：关闭右侧接收使能信号，打开右侧发送使能信号，并令cnt的值加1，判断cnt的值是否等于10*avg，其中avg为波特率识别中计算出来的数，判断结果为是，则执行检测步骤；判断结果为否，则继续执行等待步骤；

检测步骤：令cnt的值加1，并检测左侧接收引脚上是否存在低电平，若检测结果为否，则令cnt的值为0，并执行等待步骤；若检测结果为是，则进一步判断cnt的值是否等于11*avg，若判断结果为是，则返回空闲状态，若判断结果为否，则继续执行检测步骤；

其中cnt表示一个计数值。