CN110069437B - 基于响应帧有效性的rs-485总线极性自适应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于响应帧有效性的RS‑485总线极性自适应方法，利用主MCU的串行通信接口通过RS‑485总线向从机发送命令帧，从机会回传响应帧。主MCU判断从机响应帧的有效性，通过GPIO口线控制从MCU实现RS‑485总线极性的正反切换，实现基于响应帧有效性的RS‑485总线极性自适应。本发明解决了不需要考虑RS‑485总线极性接线的问题，该主机设备可以实现多台从机的RS‑485总线极性自适应。本发明具有记忆功能，只需开机检测一次从机的连接极性，通信成功后，所有从机设备的连接极性将会被记录。本发明大大缩短了工业现场通信设备或者电网设备的安装工期，节省人力，具有电路板体积小、成本低的特点。

Description

基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法
技术领域
本发明涉及智能电网计量技术和通信技术领域，特别是一种基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法。
背景技术
RS-485总线极性的存在使通信设备的安装与调试步骤复杂繁琐，为了简化设备的安装调试过程，RS-485无极性连接得到了广泛的关注。目前，已有的RS-485无极性连接技术主要有如下三种：
第一种是中国专利CN 201710108172.4公开的一种智能电能表及其RS-485通信AB极性自适应通信方法，该方法旨在提供一种在通信线缆无论正接或反接状态下，传送数据都可被同时接收的智能电能表，通过智能电能表中CPU的判断，得到正确的传送数据以及线缆连接状况，并启动相应的发送方式，将应答数据发送出去，从而实现了与连线极性无关的智能电能表RS-485的正常通信，方便了现场电网建设过程，提高了建设效率，满足了电网建设企业的需要。但该方法是通过硬件LED指示然后进行RS-485接线极性的人工切换，这种方式需要人力的干预，延长了设备的安装工期。
第二种是中国专利CN 201310068409.2公开的一种无极性收发单元及RS-485通信电路，该无极性收发单元包括具有通信接口A端及B端的RS-485芯片、能检测自身RXD端的信号相位的MCU芯片，所述RS-485芯片的RO端与MCU芯片的RXD端相连接，所述RS-485芯片的DI端与MCU的TXD端相连接，RO端与RXD端之间、DI端与TXD端之间还连接有受MCU芯片的P0.0端控制的无极性逻辑电路，用以在RS-485芯片的通信接口正接时使信号正确传输，反接时反转RO端的输出信号及DI端的输入信号的极性，实现信号的正确传输。但该方法是通过在从机中增加一个RS-485驱动芯片，产生两路信号，从机对两路信号进行识别取舍进而实现无极性连接，这种方式应用于从机当中，仅能够实现一台设备的无极性连接，另外这种方式需要主机一直发送同步字，资源开销较大。
第三种是中国专利CN 201710310249.6公开的一种实现RS485无极性连接的方法，该方法采取在接收端增加一个相应的RS-485芯片，在从机增加相应的极性判断及切换软件，从而实现RS-485接线的无极性连接，同时如果在数据正常通信中，存在主机重启、通信线重接等通信异常情况时，软件也可以自动重新判断极性，适应新的状态，不需要人工干预，提高了系统的工作效率和可靠性。但该方法是对消息进行曼彻斯特编码然后再通过RS-485进行数据传输，这种方式需要在主机和从机上配备编码器和解码器，系统复杂度及成本偏高。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种设备的安装工期短、资源开销小、系统复杂度及成本低的基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法，所述RS-485总线极性自适应的电路，包括主MCU、从MCU和RS-485驱动芯片；
所述主MCU采用Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片，所述主MCU通过UART TX和UART RX引脚分别与从MCU的GPIO4、GPIO5口线相连；主MCU的通用GPIO1口线与RS-485驱动芯片的TE RE引脚连接，用于控制RS-485驱动芯片的发送或接收；主MCU的通用GPIO1口线与从MCU的GPIO3口线连接，用于控制从MCU的消息发送或接收；主MCU的通用GPIO2口线与从MCU的GPIO6相连，用于控制RS-485驱动芯片极性的正反切换；
所述从MCU采用Cortex-M3架构的STM32F103C8T6芯片，从MCU的通用GPIO4、GPIO5口线分别用于检测UART TX引脚电平、发送消息至UART RX引脚，通用GPIO3口线用于检测RS-485驱动芯片的发送接收状态，通用GPIO6口线用于检测主MCU对RS-485驱动芯片极性正反切换的控制，通用GPIO7、GPIO8口线分别与RS-485驱动芯片的DI、RO引脚相连，用于接收状态下检测RO引脚电平或者发送状态下将消息传输给DI引脚；
所述RS-485驱动芯片采用MAXIM公司推出的低功耗RS-485收发器MAX485ESA；RS-485驱动芯片的TE RE引脚用于控制RS-485驱动芯片的接收与发送；RS-485驱动芯片的DI引脚在发送状态时接收来自从MCU的信号；RS-485驱动芯片的RO引脚在接收状态时将数据发送给从MCU进行消息传输；
所述RS-485驱动芯片的A、B引脚通过RS-485总线与多个从机连接。
基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法，包括以下步骤：
A1、初始化：对主MCU的定时器、串口及GPIO1、GPIO2进行初始化，对从MCU的定时器和GPIO3-GPIO8进行初始化；
A2、主MCU通过从MCU向从机发送MODBUS命令帧，所述的MODBUS命令帧结构为：帧头、从机地址、从机读写控制命令、从机读写字节数、从机写入数据以及校验和，所述的发送过程包括主MCU通过RS-485总线极性控制引脚及RS-485驱动芯片发送接收使能引脚对从MCU的控制；
A3、从MCU向主MCU回传从机的MODBUS响应帧，从MCU回传的MODBUS响应帧受控于主MCU的RS-485总线极性控制引脚电平；
A4、主MCU处理从MCU回传的从机MODBUS响应帧：主MCU判断回传的MODBUS响应帧是否有效，如果MODBUS响应帧有效则处理MODBUS响应帧并保存从机RS-485总线极性标志，下一步返回处理其他进程，如果MODBUS响应帧无效，RS-485总线极性标志位取反后返回步骤A2。
进一步地，所述的主MCU的工作方法，包括以下步骤：
B1、主MCU的UART及GPIO初始化，从机状态标志位置1，表示从机处于正常工作状态，由主MCU的FLASH中读取从机的RS-485总线极性标志，主MCU的GPIO2口线根据从机的RS-485总线极性标志输出高低电平；
B2、主MCU的GPIO1口线输出高电平，RS-485驱动芯片发送使能，主MCU的UART TX开始发送命令帧，命令帧发送完毕后GPIO1口线输出低电平，RS-485驱动芯片接收使能，开始接收从机MODBUS响应帧；
B3：判断主MCU的UART TX接收到的MODBUS响应帧是否有效，如果MODBUS响应帧有效执行步骤B4，如果MODBUS响应帧无效或未接收到MODBUS响应帧执行步骤B5；
B4：保存该从机的RS-485总线极性标志，处理UART RX接收到的MODBUS响应帧，返回；
B5：判断主MCU的UART TX向从机发送命令帧的尝试次数是否超过预设值，如果超过预设值执行步骤B6，如果没有超过预设值执行步骤B7；
B6：从机状态标志位置0，表示从机通信故障或者未连接，返回；
B7：RS-485总线极性标志位取反，主MCU的GPIO2口线实现电平转换，控制从MCU向RS-485驱动芯片发送命令帧，转步骤B2。
进一步地，所述的从MCU的工作方法，包括以下步骤：
C1：定时器中断及GPIO初始化配置，其中定时器中断触发的频率配置为115200Hz，保证每一个码元内的采样点数是相同的，否则会导致消息传输错误；
C2：检测RS-485驱动芯片发送控制引脚电平即从MCU的GPIO3口线的电平，识别RS-485驱动芯片的工作状态，检测RS-485总线极性控制引脚电平即从MCU的GPIO6口线的电平，识别主MCU要求从MCU如何发送消息；
C3：检测是否发生定时器中断，如果发生则执行步骤C4，没有发生则执行步骤B2；
C4：判断RS-485驱动芯片是否处于发送装态，即判断从MCU的GPIO3口线的电平，如果是高电平则RS-485驱动芯片处于发送状态执行步骤C5，如果是低电平则RS-485驱动芯片处于接收状态执行步骤C7；
C5：检测主MCU的UART TX引脚电平，即从MCU的GPIO4口线电平；
C6：根据主MCU的UART TX引脚电平及RS-485总线极性控制引脚电平，即GPIO2口线电平，通过从MCU的GPIO7口线向RS-485驱动芯片发送消息，如果RS-485总线极性控制引脚为低电平，则从MCU不作处理直接发送消息，如果RS-485总线极性控制引脚为高电平，则从MCU将消息翻转后发送，转步骤C2；
C7：如果是多链路RS-485链路，则转步骤C8，否则，转步骤C9；
C8：判断有响应的RS-485链路，如果从MCU的某一接收引脚发生了电平改变就认为该引脚所对应的RS-485链路有响应，执行步骤C9，如果所有的RS-485链路均没有响应，则GPIO5口线输出电平恒为高电平；
C9：根据RS-485总线极性控制引脚的电平将步骤C7中判别出的RS-485链路的响应通过从MCU的GPIO5口线发送给主MCU，转步骤C2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用主MCU的串行通信接口(UART)通过RS-485总线向从机发送命令帧，从机会回传响应帧。主MCU判断从机响应帧的有效性，通过GPIO口线控制从MCU实现RS-485总线极性的正反切换，进而实现基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应。
2、本发明适用于通信主机中，解决了不需要考虑RS-485总线极性接线的问题，该主机设备可以实现多台从机的RS-485总线极性自适应。
3、本发明具有记忆功能，只需开机检测一次从机的连接极性，通信成功后，所有从机设备的连接极性将会被记录。
4、本发明不需要考虑RS-485总线极性接线，大大缩短了工业现场通信设备或者电网设备的安装工期，节省人力。
5、本发明仅需要额外提供一块从MCU即可实现RS-485总线极性自适应，具有电路板体积小、成本低的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电路系统框图；
图2是本发明实施例提供的系统整体流程图；
图3是本发明实施例提供的主MCU程序流程图；
图4是本发明实施例提供的从MCU程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，下面结合附图说明对本发明实施例的技术方案进行详细阐述：
图1所示为本发明实施例提供的RS-485总线极性自适应的电路，包括主MCU、从MCU、RS-485驱动芯片。
图2所示为本发明实施例提供的RS-485总线极性自适应方法流程图。
图3所示为本发明实施例提供的主MCU工作程序流程图。
图4所示为本发明实施例提供的从MCU工作程序流程图。
图1-4所示的内容已在发明内容中详述，不再重复。
本发明利用主MCU实现对MODBUS帧有效性的检测，并通过控制从MCU进行RS-485总线极性的正反切换，多次尝试直至主机与从机之间实现通信为止。这样就实现了一种基于MODBUS响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法。
鉴于电路功能中需要通过RS-485总线进行通信，因而采用本发明实施例所阐述的处理方法，实际应用中不仅限于通过RS-485总线进行通信的电路。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法，其特征在于：所述RS-485总线极性自适应的电路，包括主MCU、从MCU和RS-485驱动芯片；
所述主MCU采用Cortex-M3架构的STM32F103RCT6芯片，所述主MCU通过UART TX和UARTRX引脚分别与从MCU的GPIO4、GPIO5口线相连；主MCU的通用GPIO1口线与RS-485驱动芯片的TE RE引脚连接，用于控制RS-485驱动芯片的发送或接收；主MCU的通用GPIO1口线与从MCU的GPIO3口线连接，用于控制从MCU的消息发送或接收；主MCU的通用GPIO2口线与从MCU的GPIO6相连，用于控制RS-485驱动芯片极性的正反切换；
所述从MCU采用Cortex-M3架构的STM32F103C8T6芯片，从MCU的通用GPIO4、GPIO5口线分别用于检测UART TX引脚电平、发送消息至UART RX引脚，通用GPIO3口线用于检测RS-485驱动芯片的发送接收状态，通用GPIO6口线用于检测主MCU对RS-485驱动芯片极性正反切换的控制，通用GPIO7、GPIO8口线分别与RS-485驱动芯片的DI、RO引脚相连，用于接收状态下检测RO引脚电平或者发送状态下将消息传输给DI引脚；
所述RS-485驱动芯片采用MAXIM公司推出的低功耗RS-485收发器MAX485ESA；RS-485驱动芯片的TE RE引脚用于控制RS-485驱动芯片的接收与发送；RS-485驱动芯片的DI引脚在发送状态时接收来自从MCU的信号；RS-485驱动芯片的RO引脚在接收状态时将数据发送给从MCU进行消息传输；
所述RS-485驱动芯片的A、B引脚通过RS-485总线与多个从机连接；
基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法，包括以下步骤：
A1、初始化：对主MCU的定时器、串口及GPIO1、GPIO2进行初始化，对从MCU的定时器和GPIO3-GPIO8进行初始化；
A2、主MCU通过从MCU向从机发送MODBUS命令帧，所述的MODBUS命令帧结构为：帧头、从机地址、从机读写控制命令、从机读写字节数、从机写入数据以及校验和，发送过程包括主MCU通过RS-485总线极性控制引脚及RS-485驱动芯片发送接收使能引脚对从MCU的控制；
A3、从MCU向主MCU回传从机的MODBUS响应帧，从MCU回传的MODBUS响应帧受控于主MCU的RS-485总线极性控制引脚电平；
A4、主MCU处理从MCU回传的从机MODBUS响应帧：主MCU判断回传的MODBUS响应帧是否有效，如果MODBUS响应帧有效则处理MODBUS响应帧并保存从机RS-485总线极性标志，下一步返回处理其他进程，如果MODBUS响应帧无效，RS-485总线极性标志位取反后返回步骤A2。
2.根据权利要求1所述的基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法，其特征在于：所述的主MCU的工作方法，包括以下步骤：
B1、主MCU的UART及GPIO初始化，从机状态标志位置1，表示从机处于正常工作状态，由主MCU的FLASH中读取从机的RS-485总线极性标志，主MCU的GPIO2口线根据从机的RS-485总线极性标志输出高低电平；
B2、主MCU的GPIO1口线输出高电平，RS-485驱动芯片发送使能，主MCU的UART TX开始发送命令帧，命令帧发送完毕后GPIO1口线输出低电平，RS-485驱动芯片接收使能，开始接收从机MODBUS响应帧；
B3：判断主MCU的UART TX接收到的MODBUS响应帧是否有效，如果MODBUS响应帧有效执行步骤B4，如果MODBUS响应帧无效或未接收到MODBUS响应帧执行步骤B5；
B4：保存该从机的RS-485总线极性标志，处理UART RX接收到的MODBUS响应帧，返回；
B5：判断主MCU的UART TX向从机发送命令帧的尝试次数是否超过预设值，如果超过预设值执行步骤B6，如果没有超过预设值执行步骤B7；
B6：从机状态标志位置0，表示从机通信故障或者未连接，返回；
B7：RS-485总线极性标志位取反，主MCU的GPIO2口线实现电平转换，控制从MCU向RS-485驱动芯片发送命令帧，转步骤B2。
3.根据权利要求1所述的基于响应帧有效性的RS-485总线极性自适应方法，其特征在于：所述的从MCU的工作方法，包括以下步骤：
C1：定时器中断及GPIO初始化配置，其中定时器中断触发的频率配置为115200Hz，保证每一个码元内的采样点数是相同的，否则会导致消息传输错误；
C2：检测RS-485驱动芯片发送控制引脚电平即从MCU的GPIO3口线的电平，识别RS-485驱动芯片的工作状态，检测RS-485总线极性控制引脚电平即从MCU的GPIO6口线的电平，识别主MCU要求从MCU如何发送消息；
C3：检测是否发生定时器中断，如果发生则执行步骤C4，没有发生则执行步骤C2；
C4：判断RS-485驱动芯片是否处于发送装态，即判断从MCU的GPIO3口线的电平，如果是高电平则RS-485驱动芯片处于发送状态执行步骤C5，如果是低电平则RS-485驱动芯片处于接收状态执行步骤C7；
C5：检测主MCU的UART TX引脚电平，即从MCU的GPIO4口线电平；
C6：根据主MCU的UART TX引脚电平及RS-485总线极性控制引脚电平，即GPIO2口线电平，通过从MCU的GPIO7口线向RS-485驱动芯片发送消息，如果RS-485总线极性控制引脚为低电平，则从MCU不作处理直接发送消息，如果RS-485总线极性控制引脚为高电平，则从MCU将消息翻转后发送，转步骤C2；
C7：如果是多链路RS-485链路，则转步骤C8，否则，转步骤C9；
C8：判断有响应的RS-485链路，如果从MCU的某一接收引脚发生了电平改变就认为该引脚所对应的RS-485链路有响应，执行步骤C9，如果所有的RS-485链路均没有响应，则GPIO5口线输出电平恒为高电平；
C9：根据RS-485总线极性控制引脚的电平将步骤C7中判别出的RS-485链路的响应通过从MCU的GPIO5口线发送给主MCU，转步骤C2。
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