CN104410557A - 一种基于rs-485的动态组网方法及通讯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RS-485的动态组网方法及通讯方法，所述方法包括：S1、主机每间隔一段心跳时间Ta通过RS-485总线向所有从机发送查询帧；S2、RS-485总线上的所有从机收到查询帧后向主机发送查询应答帧；S3、主机判断是否存在地址不在有效编址范围内的从机，将其识别为待编址设备；S4、主机通过RS-485总线广播编址帧；S5、从机收取与自身ID对应的编址帧，将当前的从机地址改写为新从机地址。本发明主机定期查询网络中从机的地址信息，通过将从机当前的地址信息与有效编址范围对比，识别网络中的新设备，进而将其编入有效地址，解决了RS-485总线采用主从式通信方式，动态增删节点不方便的问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于RS-485的动态组网方法及通讯方法。
背景技术
RS-485是由EIA(U.S.Energy Information Administration，美国电子工业协会)制定发布的一种串行数据接口标准，发布时被命名为TIA/EIA-485-A，习惯上，EIA提出的建议标准都以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，通常将TIA/EIA-485-A称作RS-485。RS-485是由RS-422标准发展而来的，在其基础上增加了多点、双向通信的能力以及发送器的驱动能力和冲突保护特性，当使用端接匹配电阻时，最多可支持32个节点，扩展了总线的共模范围，采用平衡传输方式。
RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及具体的接插件、电缆或协议。因为RS-485具有通信距离远、抗干扰能力强、组网简单、成本较低、适用性强等特点，使其在工业控制和智能仪表等领域得到了广泛应用。具体应用时，用户需根据应用场景制定自己的高层通信协议。
RS-485采用半双工的通信方式，任何时刻，只能有一个节点处于发送状态，其他节点必须处于接收状态，因此RS-485的高层通信协议一般采用主从式，这样，动态增删节点时就可能会导致通信错乱，尤其是增加节点时，很难确保从机地址的唯一性，从而导致总线被拉死。因此，实际应用时，节点数量一般在确定后保持不变。基于这一特征，RS-485在应用中受到很大局限。
由此可见，现有技术有待进一步完善。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在的缺陷，提供一种基于RS-485的动态组网方法及通讯方法；解决现有技术中，采用RS-485总线进行通信时，无法动态增删节点的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于RS-485的动态组网方法，包括以下步骤：
S1、主机每间隔一段心跳时间Ta通过RS-485总线向所有从机发送查询帧；
S2、RS-485总线上的所有从机收到查询帧后，在第一时间段Tw内采用分时应答的方式向主机发送查询应答帧；查询应答帧中记录有从机当前的从机地址和从机ID；
S3、主机判断是否存在从机地址不在有效编址范围内的从机，并将其识别为待编址设备；
S4、主机通过RS-485总线广播编址帧，所述编址帧中记录有待编址设备的从机ID和赋予对应待编址设备的新从机地址，所述新从机地址为有效编址范围中尚未被占用的地址；
S5、从机收取与自身的从机ID对应的编址帧，并将当前的从机地址改写为编址帧中记录的新从机地址，然后向主机发送编址应答帧。
进一步地，还包括：S6、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1。
进一步地，在S2和S5中，还包括：如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，则将自身地址改写为有效编址范围外的地址，其中，Ta为心跳时间，Tw为第一时间段。
进一步地，在S2中，新挂载到网络中的从机在生成查询应答帧时，统一采用一有效编址范围外的地址作为当前的从机地址。
进一步地，在S5中，编址应答帧中记录有从机的从机ID和新从机地址，主机根据该返回的编址应答帧中记录的从机ID和新从机地址，判断新从机地址是否已分配成功；如果未分配成功，则重复S4至S5。
进一步地，所述有效编址范围为0x00～0xhh，该范围根据网络中实际需要挂载的最大从机数量N而定，其中hh为N-1对应的十六进制数。
进一步地，在S2中，所述第一时间段Tw被分为2N个时间片，每个从机占用总线的时间TS＝Tw/2N，从机地址在有效编址范围内的从机，根据从机地址的大小顺序，依次在前N个时间片内发送查询应答帧；新挂载到网络中的从机统一采用有效编址范围外的地址作为当前的从机地址，生成查询应答帧，并根据查询应答帧中异或校验值的大小顺序，依次在后N个时间片内应答。
一种基于RS-485的通讯方法，包括以上所述的动态组网方法，还包括以下步骤：
S7、主机向从机发送轮询帧，轮询帧中记录有从机地址；
S8、对应从机地址的从机接收轮询帧，并向主机发送轮询应答帧；
S9、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1；
S10、当需要设置从机参数时，主机向从机发送设置帧，设置帧中记录有从机地址；
S11、对应从机地址的从机接收设置帧，完成参数设置工作后，向主机发送设置应答帧；
在S1至S5中，不同的从机之间采用从机ID进行区分，在S7至S11中，不同的从机之间采用从机地址进行区分。
在S8和S11中，还包括：如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，则将自身地址改写为有效编址范围外的地址，其中，Ta为心跳时间，Tw为第一时间段。
本发明在动态组网时，主机定期查询网络中从机的地址信息，并通过将从机当前的地址信息与有效编址范围对比，识别出网络中的新设备，进而将其编入有效地址中，解决了RS-485总线采用主从式通信方式时，动态增删节点不方便问题，使RS-485总线的应用场景得到极大扩展。
附图说明
图1为本发明实施例一的硬件结构示意图。
图2为本发明实施例一的流程示意图。
图3为本发明实施例二中定义的8种帧的格式示意图。
图4为本发明实施例二的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一
本实施例提供的一种基于RS-485的动态组网方法中，主机与从机间采用点到多点的总线方式进行动态组网，如图1所示，一台主机通过RS-485总线与多台从机连接，主机与从机以规定的帧格式进行通信，每次通信由主机发起。
具体地，如图2所示，所述基于RS-485的动态组网方法包括以下步骤：
S1、主机每间隔一段心跳时间Ta通过RS-485总线向所有从机发送查询帧；
S2、RS-485总线上的所有从机收到查询帧后，在第一时间段Tw内采用分时应答的方式向主机发送查询应答帧。查询应答帧中记录有从机当前的从机地址和从机ID；新挂载到网络中的从机在生成查询应答帧时，统一采用一有效编址范围外的地址作为当前的从机地址。
S3、主机判断是否存在从机地址不在有效编址范围内的从机，并将其识别为待编址设备；
S4、主机通过RS-485总线广播编址帧，所述编址帧中记录有待编址设备的从机ID和赋予对应待编址设备的新从机地址，所述新从机地址为有效编址范围中尚未被占用的地址；
S5、从机收取与自身的从机ID对应的编址帧，并将当前的从机地址改写为编址帧中记录的新从机地址，然后向主机发送编址应答帧。编址应答帧中记录有从机的从机ID和新从机地址，主机根据该返回的编址应答帧中记录的从机ID和新从机地址，判断新从机地址是否已分配成功；如果未分配成功，则重复S4至S5。
S6、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1。
进一步地，在涉及从机接收信号的步骤S2和S5中，还包括：如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，则将自身地址改写为有效编址范围外的地址，其中，Ta为心跳时间，Tw为第一时间段。具体地，如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，说明该从机节点发生了故障或者脱离了总线，从机将自身地址改写为有效编址范围外的地址，以防止该节点恢复正常或重新挂载到总线后出现地址冲突；以此实现动态删除节点的功能。当删除节点时，主机无需做任何处理。
本实施例在动态组网时，主机定期查询网络中从机的地址信息，并通过将从机当前的地址信息与有效编址范围对比，识别出网络中的新设备，进而将其编入有效地址中，解决了RS-485总线采用主从式通信方式时，动态增删节点不方便问题，使RS-485总线的应用场景得到极大扩展。
实施例二
本实施例提出了一种基于RS-485的通讯方法，在现有技术的基础之上将实施例一所述的基于RS-485的动态组网方法融合到通讯过程中，当采用RS-485总线进行组网时可以动态增删节点，并保证通信的高效稳定。
具体地，RS-485通信协议的设计一般采用典型的分层结构，主要包括物理层和数据链路层。物理层主要完成以下功能：发送数据时，将数据链路层送来的数据按字节进行串并转换，并增加相应的起始位、校验位和停止位，然后将转换后的信号发送到物理信道上；在接收数据时，从物理信道串行接受电平信号，然后进行电平转换、校验、串并转换，并将得到的数据传送到数据链路层。MCU(Micro Control Unit，微控制单元)和RS-485收发器已经完成了物理层的实现，因此本实施例提供的通讯方法只是对数据链路层的帧格式及其通信过程进行设计。
本实施例提供的通讯方法中有两种类型的帧：数据帧和特殊功能帧。特殊功能帧由主机广播或定点发送，数据帧与相关的特殊功能帧相对应，由从机发送，作为对应特殊功能帧的应答信号。本实施例提供的通讯方法大致过程依次包括：定时搜索设备、分配子地址、轮询数据/设置参数；其中的定时搜索设备和分配子地址过程，即为实施例一所述的动态组网方法。对应以上各通讯步骤，设计了8种帧格式，分别为INQUIRY帧(查询帧)、INQUIRY_ASW帧(查询应答帧)、ASSIGN帧(编址帧)、ASSIGN_BSW帧(编址应答帧)、POLL帧(轮询帧)、POLL_ASW帧(轮询应答帧)、SET帧(设置帧)、SET_ASW帧(设置应答帧)。
如图3所示，为8种帧的详细格式示意图，8种帧的头部均包括起始位、功能码和数据长度，尾部均包括异或校验和停止位，其中各帧的起始位固定为0x5A，停止位固定为0xCA，功能码为2字节。
各帧的头部和尾部中间包含的信息类型各不相同。具体地，INQUIRY帧中包含的信息还包括主机ID，该帧用于供主机向从机广播，以搜索新设备，所有从机都会分时响应该指令。
INQUIRY_ASW帧中包含的信息还包括从机ID和从机地址，该帧用于供从机响应主机发出的INQUIRY帧，其中，新设备的从机地址固定为0xFF，非新设备则为其实际从机地址。
ASSIGN帧中包含的信息还包括从机ID、从机地址和主机地址，该帧用于供主机给从机分配地址，这里的从机地址为主机欲分配给从机的地址。
ASSIGN_ASW帧中包含的信息还包括从机ID、从机地址和主机地址，该帧用于供从机响应主机发出的ASSIGN帧，这里从机地址为主机已分配给从机的地址。
POLL帧中包含的信息还包括从机地址，该帧用于供主机向从机轮询数据，这里的从机地址为主机已分配给从机的地址。
POLL_ASW帧中包含的信息还包括数据和从机地址，该帧用于供从机响应主机发出的POLL帧，这里的从机地址为主机已分配给从机的地址。
SET帧中包含的信息还包括从机地址，该帧用于供主机对从机进行参数设置，这里的从机地址为主机已分配给从机的地址。
SET_ASW帧中包含的信息还包括从机地址，该帧用于供从机响应主机发出的SET帧，这里的从机地址为主机已分配给从机的地址。
本实施例中的主机和从机采用以上所述的8种帧格式进行通讯，约定有效的从机编址范围为0x00～0xhh，不在该范围的，主机重新将其分配至该范围；有效编址范围应根据网络中实际需要挂载的最大从机数量N而定，其中hh为N-1对应的十六进制数。所有新挂载到网络中的从机的默认初始地址设为0xFF，即所有新加入网络的从机，其地址在主机为其成功分配有效地址前，均设置为0xFF。考虑到通讯速率的限制，为确保通讯的有效性和稳定性，在本发明实施例中采用的有效编址范围为0x00～0x13，即有效编址范围仅包括了20个地址，适用于从机数量不超过20个的应用场景。
如图4所示，本实施例提供的基于RS-485的通讯方法具体包括以下步骤：
S1、主机每间隔一段心跳时间Ta通过RS-485总线向所有从机发送INQUIRY帧，以搜索网络中是否有新设备出现；
S2、RS-485总线上的所有从机收到INQUIRY帧后，在1s(即第一时间段Tw)的时间内采用分时应答的方式，向主机发送INQUIRY_ASW帧。其中，1s的时间被分为40个时间片，每个从机占用总线的时间为25ms，INQUIRY_ASW帧中包含有从机地址及从机ID号；具体地，已分配从机地址的从机(即从机地址在有效编址范围0x00～0x13内的从机)，根据从机地址的大小顺序，依次在前20个时间片内按INQUIRY_ASW帧规定的格式应答；新挂载到网络中的从机(即新设备)在生成INQUIRY_ASW帧时，统一采用0xFF作为当前的从机地址，并根据查询应答帧中异或校验值的大小顺序，依次在后20个时间片内应答。
S3、主机判断是否存在从机地址为0xFF或其他从机地址不在有效编址范围内的从机，并将其识别为待编址设备；如果不存在待编址设备，则跳过S4和S5。
S4、主机通过RS-485总线广播ASSIGN帧，对待编址设备进行地址分配。具体地，所述ASSIGN帧中记录有待编址设备的从机ID和赋予对应待编址设备的新从机地址，所述新从机地址为有效编址范围中尚未被占用的地址；
S5、从机收取与自身的从机ID对应的ASSIGN帧，并将当前的从机地址改写为ASSIGN帧中记录的新从机地址，然后向主机发送ASSIGN_ASW帧。ASSIGN_ASW帧中记录有该从机的从机ID和新从机地址，主机根据该返回的ASSIGN_ASW帧判断新从机地址是否已分配成功。若已分配成功，则依照以下步骤，采用轮询方式与从机开始数据通信，此后的帧数据中不再包括从机ID号；若未分配成功，则按照S4至S5的步骤重新分配。
S6、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，即是否超过S1中主机发送INQUIRY帧的时间间隔，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1。在此步骤之前，由于存在未编址的新设备，因此在S1至S5中，不同的从机之间采用从机ID进行区分；而在此步骤之后的S7至S11中，不同的从机之间则开始采用从机地址进行区分。
S7、主机向从机发送POLL帧，POLL帧中记录有从机地址，不再记录从机ID。
S8、对应从机地址的从机接收POLL帧，并向主机发送POLL_ASW帧。
S9、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1。
每轮询一次数据后，主机还会判断是否需要设置从机参数，若需要，则按照S10至S11的步骤设置从机参数，否则，继续重复S7至S8执行数据轮询。
设置从机参数的步骤如下：
S10、当需要设置从机参数时，主机向从机发送SET帧，SET帧中记录有从机地址；
S11、对应从机地址的从机接收SET帧，完成参数设置工作后，向主机发送SET_ASW帧。
在主机和从机的整个通讯过程中，为避免停止位的误判，规定数据(即除起始位、功能码和停止位外的所有帧数据)中出现0xCA时，发送方将其拆分后发送，接收方收到数据后再将其恢复。
进一步地，在涉及从机接收信号的步骤S2、S5、S8和S11中，还包括：如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，则将自身地址改写为0xFF，其中，Ta为心跳时间，Tw为第一时间段。具体地，如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，说明该从机节点发生了故障或者脱离了总线，从机将自身地址改写为有效编址范围外的地址，以防止该节点恢复正常或重新挂载到总线后出现地址冲突；以此实现动态删除节点的功能。当删除节点时，主机无需做任何处理。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、主机每间隔一段心跳时间Ta通过RS-485总线向所有从机发送查询帧；
S2、RS-485总线上的所有从机收到查询帧后，在第一时间段Tw内采用分时应答的方式向主机发送查询应答帧；查询应答帧中记录有从机当前的从机地址和从机ID；
S3、主机判断是否存在从机地址不在有效编址范围内的从机，并将其识别为待编址设备；
S4、主机通过RS-485总线广播编址帧，所述编址帧中记录有待编址设备的从机ID和赋予对应待编址设备的新从机地址，所述新从机地址为有效编址范围中尚未被占用的地址；
S5、从机收取与自身的从机ID对应的编址帧，并将当前的从机地址改写为编址帧中记录的新从机地址，然后向主机发送编址应答帧。
2.根据权利要求1所述的基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，还包括：S6、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1。
3.根据权利要求1所述的基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，在S2和S5中，还包括：如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，则将自身地址改写为有效编址范围外的地址，其中，Ta为心跳时间，Tw为第一时间段。
4.根据权利要求1所述的基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，在S2中，新挂载到网络中的从机在生成查询应答帧时，统一采用一有效编址范围外的地址作为当前的从机地址。
5.根据权利要求1所述的基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，在S5中，编址应答帧中记录有从机的从机ID和新从机地址，主机根据该返回的编址应答帧中记录的从机ID和新从机地址，判断新从机地址是否已分配成功；如果未分配成功，则重复S4至S5。
6.根据权利要求1所述的基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，所述有效编址范围为0x00～0xhh，该范围根据网络中实际需要挂载的最大从机数量N而定，其中hh为N-1对应的十六进制数。
7.根据权利要求1所述的基于RS-485的动态组网方法，其特征在于，在S2中，所述第一时间段Tw被分为2N个时间片，每个从机占用总线的时间TS＝Tw/2N，从机地址在有效编址范围内的从机，根据从机地址的大小顺序，依次在前N个时间片内发送查询应答帧；新挂载到网络中的从机统一采用有效编址范围外的地址作为当前的从机地址，生成查询应答帧，并根据查询应答帧中异或校验值的大小顺序，依次在后N个时间片内应答；其中，N为网络中实际需要挂载的最大从机数量。
8.一种基于RS-485的通讯方法，包括权利要求1至7任一所述的动态组网方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S7、主机向从机发送轮询帧，轮询帧中记录有从机地址；
S8、对应从机地址的从机接收轮询帧，并向主机发送轮询应答帧；
S9、判断主机和从机的通讯是否超过心跳时间Ta，如果超过了心跳时间Ta，则重新返回执行S1；
S10、当需要设置从机参数时，主机向从机发送设置帧，设置帧中记录有从机地址；
S11、对应从机地址的从机接收设置帧，完成参数设置工作后，向主机发送设置应答帧；
在S1至S5中，不同的从机之间采用从机ID进行区分，在S7至S11中，不同的从机之间采用从机地址进行区分。
9.根据权利要求8所述的基于RS-485的通讯方法，其特征在于，在S8和S11中，还包括：如果从机在Ta+Tw的时间内未收到主机的任何帧，则将自身地址改写为有效编址范围外的地址，其中，Ta为心跳时间，Tw为第一时间段。
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