CN110519136A - 一种自适应组网的rs485多机通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应组网的RS485多机通信系统，包括主机和一组从机；主机与每一台从机均设置有至少一个负责数据发送的RS485接口和一个负责接收数据的RS485接口；主机的负责数据发送的RS485接口与第一台从机的负责接收数据的RS485接口相连，所述的第一台从机的负责数据发送的RS485接口与下一台从机的负责接收数据的RS485接口相连，最后一台从机的负责数据发送的RS485接口与主机的负责接收数据的RS485接口相连。本发明的最大优势是动态自适应组网，无需在施工时设置从机地址；通讯效率高，系统响应及时；驱动能力强，理论上可无线扩展从机节点。这些优势在从机节点数量多时尤其突出。

Description

一种自适应组网的RS485多机通信系统

技术领域

本发明涉及RS485多机通信领域，特别是一种自适应组网的RS485多机通信系统。

背景技术

目前，基于RS485总线的通讯，在电力、化工、石油、金融、通信、轨道交通、数据中心等行业广泛使用。

RS485总线是一种典型的主从式网络结构，在实际应用中多采用总线式结构如图1所示。

在这种组网方式下，通常存在以下缺陷：

(1)基于RS485总线通讯的设备，在网络中必须有惟一的通讯地址，因此当节点设备较多时，设备的安装、施工会相对困难(需要现场配置通讯地址)，维修、更换也不方便。

(2)由于RS485总线没有总线仲裁机制，从机不能主动向主机发送信息，因此多采用应答式通讯机制，及主机发出指令，而只有被主机呼叫的从机才能获得总线控制权(如ModBus协议)，并在通讯结束后立即释放总线控制权。这种机制在从机数量较少时还没太大影响，但当从机数量较多时(如大于128)，通讯效率会显得极为低下，尤其对主机，会占用大量的机时资源。

(3)RS485总线式组网结构，在实际应用中受器件物理特性的限制，一般只有32个节点的驱动能力，到64个就已经很吃力了，如果到128个甚至以上，就必须做特殊设计以提高总线驱动能力，或增加中继。

发明内容

本发明是针对目前主流RS485总线制式网络结构，提出一种自适应组网的RS485多机通信系统，它是一种全新的组网结构及与之配套的通讯协议，进而有效解决上述RS485通讯的缺陷。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种自适应组网的RS485多机通信系统，包括主机和一组从机；主机与每一台从机均设置有至少一个负责数据发送的RS485接口和一个负责接收数据的RS485接口；主机的负责数据发送的RS485接口与第一台从机的负责接收数据的RS485接口相连，所述的第一台从机的负责数据发送的RS485接口与下一台从机的负责接收数据的RS485接口相连，最后一台从机的负责数据发送的RS485接口与主机的负责接收数据的RS485接口相连。

本发明的最大优势是动态自适应组网，无需在施工时设置从机地址；通讯效率高，系统响应及时；驱动能力强，理论上可无线扩展从机节点。这些优势在从机节点数量多时尤其突出。

进一步的，上述的自适应组网的RS485多机通信系统中：主机与每一台从机均设置有两个负责数据发送的RS485接口和两个负责接收数据的RS485接口；主机的两个负责数据发送的RS485接口分别与第一台从机的两个负责接收数据的RS485接口相连，所述的第一台从机的两个负责数据发送的RS485接口分别与下一台从机的两具负责接收数据的RS485接口相连，最后一台从机的两个负责数据发送的RS485接口分别与主机的负责接收数据的RS485接口相连。

进一步的，上述的自适应组网的RS485多机通信系统中：通信系统的组网过程如下：定义主机的通讯地址为第一设定地址；主机向与之相连的第一台从机发送自适应组网指令；从机从其自负责接收数据的RS485接口接收到上一节点发送的自适应组网指令后，由其负责数据发送的RS485接口向下一节点发送自适应组网指令，主机从其负责接收数据的RS485接口接收由最后一台从机发送的自适应组网指令；自适应组网指令包括“命令码”、“本机通信地址”；从机的“本机通讯地址”为接到上一节点发送的自适应组网指令后，获得的上一节点的“本机通信地址”利用设定计算方式获得；最后一台从机将自适应组网指令发给主机后，自适应组网过程结束，主机获得了网络拓扑结构。

进一步的，上述的自适应组网的RS485多机通信系统中：所述的第一设定地址为0，设定计算方式为“+1”。

进一步的，上述的自适应组网的RS485多机通信系统中：主机发送数据给从机方案如下：

主机发送的数据包包括“命令码”、“从机地址”、“数据帧”；从机接收到数据包后，如判断“从机地址”与本机通讯地址是否相同，如果相同则接收数据帧，并将应答信息附加到“数据帧”上，从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点；如果不同，则直接将接收到的数据包从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点。

进一步的，上述的自适应组网的RS485多机通信系统中：主机获取从机数据方案如下：主机从其负责数据发送的RS485接口发送下列格式的数据获取的命令：

“命令码”+“数据帧1”+“数据帧2”+…+“数据帧k”+…+“数据帧n”，其中标号k为构成网络的从机的“本机通信地址”,n为构成网络的从机数；从机从其负责接收数据的RS485接口接收到数据获取的命令后，将需要发送给主机的数据填充到数据帧标号为本从机的“本机通信地址”的数据帧，从其负责数据发送的RS485接口发送；主机的负责接收数据的RS485接口接收以后，进行解析获得每台从机的数据。

进一步的，上述的自适应组网的RS485多机通信系统中：主机发送数据给从机方案如下：主机通过两个负责数据发送的RS485接口分别发送的数据包；所述的数据包包括“命令码”、“从机地址”、“数据帧”；从机从其两个负责接收数据的RS485接口分别接收到数据包后，选择其中一个负责接收数据的RS485接口的数据进行以下处理：

如判断“从机地址”与本机通讯地址是否相同，如果相同则接收数据帧，并将应答信息附加到“数据帧”上，分别从其两个负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点；如果不同，则直接将接收到的数据包分别从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1是现有技术中的RS485总线结构。

附图2是本发明实施例1的自适应组网的RS485多机通信系统结构图。

附图3是本发明实施例1的自适应组网的RS485多机通信系统冗余模式结构图。

具体实施方式

实施例1，网络拓扑结构如图1所示：所有节点(包括主机和从机)上都有两个RS485接口，一个负责数据发送，一个负责数据接收。实践中采用同一个异步驱动器，将RXD和TXD分开，分别接到两个接口中。所有节点以手挽手模式组成一个通讯闭环。每个模块都有2个独立的RS485接口，一个只负责接收数据，一个只负责发送数据。主节点每发送一帧数据，必须要在接收口收到应答，否则算通讯失败；从机节点只接收不应答，但必须把接收到的数据按规定转发给下一节点。由于每一个RS485接口实际上只驱动1个与之相连的RS485接口，因此理论上1个主机可驱动无限个从机节点设备。

上网张拓扑的自适应组网方案：

定义主机的本机通讯地址为0，主机向与之相连的第1个从机发送自适应组网指令。自适应组网指令由：“命令码”+“本机通讯地址”构成，对于主机，这个“本机通讯地址”就是0。当从机接到上一节点发送的自适应组网指令后，即获得了上一节点的通讯地址，将这一地址“+1”，即为本机通讯地址，将其组合成自适应组网指令发给下一节点。当最后一个从机将自适应组网指令发给下一节点也就是主机节点后，自适应组网过程结束，主机获得了网络拓扑结构，知道了从机节点的个数(即最后收到的本机地址数)。实践中，主机的本机通讯地址采用“0”，从机依次是1、2、3、n，这是一种比较简单的分配地址的方法，实践上也可以使用其它方式，如主机的本机通讯地址采用一个记录在案的任何一个ID就可以了，从机根据其所在网络中的位置设置一个与位置相关的本机通讯地址，只要在整个网络中该地址是唯的即可，各从机的本机通讯地址在主机中都有记录。“命令码”由通信协议设定，只要各从机(节点)能够识别它是自适应组网指令即可。

主机获取从机数据方案：

当从机数量较多时，常规的应答式数据获取方式已不能满足系统对快速响应的要求了。本方案采取了一种“数据高速列车”的方案，来提高系统的响应性能。数据获取的命令由：“命令码”+“数据帧1”+“数据帧2”+…+“数据帧n”构成，其中n为构成网络的从机数。每一个数据帧都是数据格式、长度固定的数据包，就像专用车厢，与从机一一对应，对号入座。“数据帧1”对应“从机1”，“数据帧2”对应“从机2”，以此类推。

当需要获取数据时，主机依次发出“命令码”及指定数量的“空车厢”(即为初始值0的一串数据帧)，每一个从机在接到这一数据“专列”后，立即将其转发给下一节点，其间将自己节点的数据填入自己专属的车厢。“命令码”由通信协议设定，只要各从机(节点)能够识别它是主机获取从机数据指令即可。

主机发送数据给从机方案：

发送数据获取的命令由：“命令码”+“从机地址”+“数据帧”构成。从机接收到命令后，如判断“从机地址”与本机通讯地址相同，则接收数据帧数据，并将应答信息附加到“数据帧”上。“命令码”由通信协议设定，只要各从机(节点)能够识别它是主机发送数据给从机指令即可。

相对现有技术而言，本实施例的最大优势是动态自适应组网，无需在施工时设置从机地址；通讯效率高，系统响应及时；驱动能力强，理论上可无线扩展从机节点。这些优势在从机节点数量多时尤其突出。

利用上面的方式组建“蓄电池智能物联网关”RS485通讯组网。网关为主机，“蓄电池在线智能维护器”(简称RS)为从机，主机最多支持128个从机。

RS485通讯物理层配置：4800波特率，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。

指令定义如表1

表1

起始位	命令码	数据/命令	CRC校验	结束符
					50ms	1字节	n字节	2字节	50ms

起始位：超过50ms的空闲时间即为起始位。

结束符：超过50ms的空闲时间即为结束符。

本实施例共使用4条命令码如表2所示：

表2

控制类指令	命令码
		自适应组网	0x01
配置RS工作模式	0x02
		获取数据类指令
获取电压	0x10
		获取温度	0x11

自适应指令码如表3所示：

表3

名称	命令码	上一节点地址	CRC
				值	0x01	N(0≤n≤128)	crc
字节数	1	1	2

当RS收到命令帧时，对自己的通讯地址按下面公式进行配置：

本机通讯地址＝N+1

同时用“本机通讯地址”替换“上一节点地址”，将命令帧转发下一节点。命令帧如表4所示：

表4

名称	命令码	本机通讯地址	CRC
				值	0x01	N+1(1≤n≤128)	crc
字节数	1	1	2

配置RS工作模式指令：

当RS接收到该命令时，应立即将其原封不动地转发给下一节点，同时按命令配置工作模式，并按此工作模式重新启动当前工作。如表5所示：

表5

表6获取电压指令

电池电压为16位无符号整数，有效范围0～2500，表示0.000V～2.500V电池电压。

第n号节点的RS按下面公式计算自己数据在数据串中的起始位置：

起始位置＝(n-1)x 8+1

RS电压数据由“电池电压”和“CRC校验码”组成。

表7温度获取指令

电池温度为8位有符号整数，有效范围-20～80，表示-20℃～80℃电池温度。

第n号节点的RS按下面公式计算自己数据在数据串中的起始位置：

起始位置＝(n-1)x 6+1

RS温度数据由“电池温度”和“CRC校验码”组成。

实施例2是一种对于需要的场合可考虑用自适应组网的RS485多机通信系统双环冗余模式，如图2所示：

主机与每一台从机均设置有两个负责数据发送的RS485接口和两个负责接收数据的RS485接口；主机的两个负责数据发送的RS485接口分别与第一台从机的两个负责接收数据的RS485接口相连，所述的第一台从机的两个负责数据发送的RS485接口分别与下一台从机的两具负责接收数据的RS485接口相连，最后一台从机的两个负责数据发送的RS485接口分别与主机的负责接收数据的RS485接口相连。

主机发送数据给从机方案如下：

主机通过两个负责数据发送的RS485接口分别发送的数据包；

所述的数据包包括“命令码”、“从机地址”、“数据帧”；

从机从其两个负责接收数据的RS485接口分别接收到数据包后，选择其中一个负责接收数据的RS485接口的数据进行以下处理：

如判断“从机地址”与本机通讯地址是否相同，如果相同则接收数据帧，并将应答信息附加到“数据帧”上，分别从其两个负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点；如果不同，则直接将接收到的数据包分别从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点。

Claims (7)

1.一种自适应组网的RS485多机通信系统，包括主机和一组从机；其特征在于：

主机与每一台从机均设置有至少一个负责数据发送的RS485接口和一个负责接收数据的RS485接口；

主机的负责数据发送的RS485接口与第一台从机的负责接收数据的RS485接口相连，所述的第一台从机的负责数据发送的RS485接口与下一台从机的负责接收数据的RS485接口相连，最后一台从机的负责数据发送的RS485接口与主机的负责接收数据的RS485接口相连。

2.根据权利要求1所述的自适应组网的RS485多机通信系统，其特征在于：主机与每一台从机均设置有两个负责数据发送的RS485接口和两个负责接收数据的RS485接口；

主机的两个负责数据发送的RS485接口分别与第一台从机的两个负责接收数据的RS485接口相连，所述的第一台从机的两个负责数据发送的RS485接口分别与下一台从机的两具负责接收数据的RS485接口相连，最后一台从机的两个负责数据发送的RS485接口分别与主机的负责接收数据的RS485接口相连。

3.根据权利要求1所述的自适应组网的RS485多机通信系统，其特征在于：通信系统的组网过程如下：

定义主机的通讯地址为第一设定地址；

主机向与之相连的第一台从机发送自适应组网指令；从机从其自负责接收数据的RS485接口接收到上一节点发送的自适应组网指令后，由其负责数据发送的RS485接口向下一节点发送自适应组网指令，主机从其负责接收数据的RS485接口接收由最后一台从机发送的自适应组网指令；

自适应组网指令包括“命令码”、“本机通信地址”；

从机的“本机通讯地址”为接到上一节点发送的自适应组网指令后，获得的上一节点的“本机通信地址”利用设定计算方式获得；

最后一台从机将自适应组网指令发给主机后，自适应组网过程结束，主机获得了网络拓扑结构。

4.根据权利要求3所述的自适应组网的RS485多机通信系统，其特征在于：所述的第一设定地址为0，设定计算方式为“＋1”。

5.根据权利要求1或3或4所述的自适应组网的RS485多机通信系统，其特征在于：主机发送数据给从机方案如下：

主机发送的数据包包括“命令码”、“从机地址”、“数据帧”；从机接收到数据包后，如判断“从机地址”与本机通讯地址是否相同，如果相同则接收数据帧，并将应答信息附加到“数据帧”上，从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点；如果不同，则直接将接收到的数据包从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点。

6.根据权利要求4所述的自适应组网的RS485多机通信系统，其特征在于：主机获取从机数据方案如下：

主机从其负责数据发送的RS485接口发送下列格式的数据获取的命令：

“命令码”+“数据帧1” +“数据帧2”+ … +“数据帧k” + … + “数据帧n”，其中标号k为构成网络的从机的“本机通信地址”, n为构成网络的从机数；

从机从其负责接收数据的RS485接口接收到数据获取的命令后，将需要发送给主机的数据填充到数据帧标号为本从机的“本机通信地址”的数据帧，从其负责数据发送的RS485接口发送；

主机的负责接收数据的RS485接口接收以后，进行解析获得每台从机的数据。

7.根据权利要求2所述的自适应组网的RS485多机通信系统，其特征在于：主机发送数据给从机方案如下：

主机通过两个负责数据发送的RS485接口分别发送的数据包；

所述的数据包包括“命令码”、“从机地址”、“数据帧”；

从机从其两个负责接收数据的RS485接口分别接收到数据包后，选择其中一个负责接收数据的RS485接口的数据进行以下处理：

如判断“从机地址”与本机通讯地址是否相同，如果相同则接收数据帧，并将应答信息附加到“数据帧”上，分别从其两个负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点；如果不同，则直接将接收到的数据包分别从其负责数据发送的RS485接口发送到下一个节点。