CN113176560A - 一种基于rs485总线的多台设备有线测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RS485总线的多台设备有线测距方法，属于测距技术领域。该方法包括：S1：利用特定标志的通信数据收发作为时间测量信号；S2：所有时间计量直接采用捕获MCU的定时器时间戳，计算相对时间差；S3：信号接收端回发数据分析、处理时间，方便扣除计算信号净传输时间；S4：沿线从设备采用监听数据同时完成相互之间距离计算。本发明在不改变任何硬件的条件下，能够实现主设备和沿线所有从设备的距离测量，完成单条总线所有设备的一维位置分布图。
Description
技术领域
本发明属于测距技术领域，涉及一种基于RS485总线的多台设备有线测距方法。
背景技术
目前常见的测距方法有无线测距和有线测距两种方法，这两种方法的现状分析如下：
(1)无线测距现状：一种方法是基于接收信号强度指示(RSSI，Received SignalStrengthIndicator)的蜂窝蜂窝式通信系统(GSM、CDMA)和无线局域网(Wi-Fi、ZigBee)测距方法；另一种方法是基于飞行时间(TOF，time-of-flight)的UWB、超声波、激光和红外等测距方法。这两种方法针对多台设备测距的时候都采用多次一对一测量，集合整理成多台设备之间的距离。
(2)有线测距现状：针对电缆连接方式测量方法主要有三种方法，一是机械测长法，包括用标尺直接测量、测距轮滚动计数或其它方式测量，测量长度受限；二是电阻测量法，根据电缆总电阻和电缆单位长度电阻计算电缆长度，无法测量通过分支电缆连接在一起的多台设备间的距离；三是时域反射法，无法测量通过分支电缆连接在一起的多台设备间的距离。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于RS485总线的多台设备有线测距方法，每条RS485总线在不改变任何硬件的条件下，实现主设备和沿线所有从设备的距离测量，完成单条总线所有设备的一维位置分布图。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于RS485总线的多台设备有线测距方法，包括以下步骤：
S1：利用特定标志的通信数据收发作为时间测量信号；
S2：所有时间计量直接采用捕获MCU的定时器时间戳，计算相对时间差；
S3：信号接收端回发数据分析、处理时间，方便扣除计算信号净传输时间；
S4：沿线从设备采用监听数据同时完成相互之间距离计算。
进一步，步骤S4中，计算设备之间的距离包括：主机和被呼叫从机的距离，计算方法为：
S401：主机E0发送一帧数据呼叫其中一台从机Ei，主机用数据帧中某个特定字节(协议约定，例如第3字节)作为计时标志，发送完特定字节捕获当前MCU定时器时间戳作为定时起始值T0；
S402：被呼叫从机Ei收到数据帧中特定字节时捕获当前MCU定时器时间戳作为到达时间值TiR；
S403：被呼叫从机Ei接收数据经过MCU数据分析、处理，然后回发应答数据帧，特定字节发送完成时捕获当前MCU定时器时间戳作为回发时间值Tis，将到达时间值TiR和回发时间值Tis都在应答数据帧中回发给主设备；
S404：主机E0收到应答数据帧特定字节时，捕获定时器时间戳作为定时结束值TEnd；
S405：主机E0和被呼叫从机Ei之间传输时间T0i为：
T0i＝TEnd-(Tis-TiR)-T0 (1)
S406：设电波在电缆中传播速度为vs，计算出主机E0与被呼叫从机Ei之间距离D0i为：
其中，T0i为主机E0到被呼叫从机Ei数据帧传输的飞行时间，TEnd为主机接收到从机Ei应答信息时刻，Tis为被呼叫从机Ei发出信息时刻，TiR为被呼叫从机Ei接收信息时刻，T0为主机E0发出信息时刻。
进一步，步骤S4中，计算设备之间的距离包括：其它从机和被呼叫从机之间的距离，采用监听数据的方式进行测量，具体计算方法为：
S411：主机E0发送一帧数据呼叫从机Ei，沿线另外一台从机Ej接收完主机E0数据帧特定字节时，捕获当前MCU定时器时间戳作为定时起始值Tj0；
S412：同步骤S402，获取被呼叫从机到达时间值TiR；
S413：同步骤S403，获取被呼叫从机回发时间值Tis；
S414：从机Ej监听到从机Ei应答数据帧特定字节时，捕获定时器时间戳作为定时结束值TjEnd；
S415：从机Ej和被呼叫从机Ei之间传输时间：如式(3)所示：
Tji＝TjEnd-(Tis-TiR)-Tj0 (3)
电波在电缆中传播速度为vs，计算出从机Ej与被呼叫从机Ei之间距离如式(4)所示：
其中，Dji为从机Ej和从机Ei之间距离，Tji为从机Ej到从机Ei数据帧传输的飞行时间，TjEnd为接收到从机Ej应答信息时刻，Tis为从机Ei发出信息时刻，TiR为从机Ei接收信息时刻，Tj0为从机Ej接收到主机呼叫信息时刻。
S416：以被呼叫从机Ei为一维坐标原点，主机和所有从机距离一起组成一维数组A0i＝[D0i,D1i...0...Dji...Dni]，针对一维距离这个标量，无法确定距离数值在被呼叫从机与主机之间还是在另外一侧，需要进一步实验；
S417：同理，主机E0另外呼叫一台从机Em，再得到另外一个一维数组A0m＝[D0m,D1m...0...Djm...Dnm]，根据两个一维数组中的距离值对比计算出总线上所有设备坐标如式(5)：
其中，Xk是每台设备以主机为坐标原点的一维坐标，Dki为从机Ek和从机Ei之间距离，D0m为主机E0和从机Em之间距离，Dkm为从机Ek和从机Em之间距离，fT是计量飞行时间的定时器频率值。
根据式(5)，得到每台从机到主机之间的距离Xk，建立以主机为坐标原点，总线上所有从机一维位置坐标X＝[X1,X2,...,Xi,...,Xn]。
本发明的有益效果在于：
1)本发明方法在线测量多台设备距离，实时更新设备位置。
2)本发明中沿线多台设备测距不需要进行一对一逐台测距，只需测量2次，就可得到所有从机到主机的距离；即本发明方法直接利用现有RS485总线，硬件无改动。
3)本发明适用于有分支电缆连接的多台设备距离测量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为RS485总线多台设备有线测距原理图；
图2为RS485总线单台设备有线测距原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图2，本发明设计了一种基于RS485总线的多台设备有线测距装置，如图1所示，主机E0通过RS485总线和从机E1到En连接，采用半双工通信方式，主机呼叫其中一台从机Ei，被呼叫从机Ei应答，其余从机处于监听状态。多台设备间距离测量分为两个部分：第一部分主机和被呼叫从机的距离测量；第二部分从机之间距离测量。
第一部分主机和被呼叫从机的距离测量，具体测量方法如图2所示，通过以下5步完成：
1)主机E0发送一帧数据呼叫其中一台从机Ei，主机用数据帧中某个特定字节(协议约定，例如第3字节)作为计时标志，发送完特定字节捕获当前MCU定时器时间戳作为定时起始值T0；
2)被呼叫从机Ei收到数据帧中特定字节时捕获当前MCU定时器时间戳作为到达时间值TiR；
3)被呼叫从机Ei接收数据经过MCU数据分析、处理，然后回发应答数据帧，特定字节发送完成时捕获当前MCU定时器时间戳作为回发时间值Tis，将到达时间值TiR和回发时间值Tis都在应答数据帧中回发给主设备；
4)主机E0收到应答数据帧特定字节时，捕获定时器时间戳作为定时结束值TEnd；
5)主机E0和被呼叫从机Ei之间传输时间如式(1)所示：
T0i＝TEnd-(Tis-TiR)-T0 (1)
电波在电缆中传播速度(见表1)为vs，计算出主机E0与被呼叫从机Ei之间距离如式(2)所示：
其中，D0i为主机E0和从机Ei之间距离，T0i为主机E0到从机Ei数据帧传输的飞行时间，TEnd为主机接收到从机Ei应答信息时刻，Tis为从机Ei发出信息时刻，TiR为从机Ei接收信息时刻，T0为主机E0发出信息时刻。
表1：常见电缆的传播速度参考值
| 序号 | 绝缘体种类 | 传播速度(m/s) |
| 1 | 高分子聚合物 | (168～186)×10<sup>6</sup> |
| 2 | 填充聚乙烯 | 192×10<sup>6</sup> |
| 3 | 聚乙烯 | 201×10<sup>6</sup> |
| 4 | 聚四氟乙烯 | 213×10<sup>6</sup> |
| 5 | 纸浆(0.13uF/km) | 216×10<sup>6</sup> |
| 6 | 泡沫聚乙烯 | 246×10<sup>6</sup> |
| 7 | 纸(0.117uF/km) | 264×10<sup>6</sup> |
| 8 | 9.5mm同轴(W) | 286×10<sup>6</sup> |
| 9 | 9.5mm同轴(S) | 295×10<sup>6</sup> |
| 10 | 合塑电缆(Φ0.4) | (192～200)×10<sup>6</sup> |
| 11 | 合塑电缆(Φ0.5) | (196～202)×10<sup>6</sup> |
| 12 | 合塑电缆(Φ0.7) | 185×10<sup>6</sup> |
| 13 | 合塑电缆(Φ0.9) | 180×10<sup>6</sup> |
| 14 | 合塑电缆(Φ1.1) | 175×10<sup>6</sup> |
| 15 | 合塑电缆(Φ1.3) | (170～175)×10<sup>6</sup> |
第二部分沿线其它从机和被呼叫从机之间距离测量采用监听数据的方式，通过以下相应5步完成：
1)主机E0发送一帧数据呼叫从机Ei，沿线另外一台从机Ej接收完主机E0数据帧特定字节时，捕获当前MCU定时器时间戳作为定时起始值Tj0；
2)同第一部分第2步获取被呼叫从机到达时间值TiR；
3)同第一部分第3步获取被呼叫从机回发时间值Tis；
4)从机Ej监听到从机Ei应答数据帧特定字节时，捕获定时器时间戳作为定时结束值TjEnd；
5)从机Ej和被呼叫从机Ei之间传输时间：如式(3)所示：
Tji＝TjEnd-(Tis-TiR)-Tj0 (3)
电波在电缆中传播速度(见表1)为vs，计算出从机Ej与被呼叫从机Ei之间距离如式(4)所示：
其中，Dji为从机Ej和从机Ei之间距离，Tji为从机Ej到从机Ei数据帧传输的飞行时间，TjEnd为接收到从机Ej应答信息时刻，Tis为从机Ei发出信息时刻，TiR为从机Ei接收信息时刻，Tj0为从机Ej接收到主机呼叫信息时刻；
6)以被呼叫从机Ei为一维坐标原点，主机和所有从机距离一起组成一维数组A0i＝[D0i,D1i...0...Dji...Dni]，针对一维距离这个标量，无法确定距离数值在被呼叫从机与主机之间还是在另外一侧，需要进一步实验；
7)同理，主机E0另外呼叫一台从机Em，再得到另外一个一维数组A0m＝[D0m,D1m...0...Djm...Dnm]，根据两个一维数组中的距离值对比计算出总线上所有设备坐标如式(5)：
其中，Xk是每台设备以主机为坐标原点的一维坐标，Dki为从机Ek和从机Ei之间距离，D0m为主机E0和从机Em之间距离，Dkm为从机Ek和从机Em之间距离，fT是计量飞行时间的定时器频率值。
根据式(5)，得到每台从机到主机之间的距离Xk，建立以主机为坐标原点，总线上所有从机一维位置坐标X＝[X1,X2,...,Xi,...,Xn]。
实施例1：
一种基于RS485总线的多台设备有线测距方法及装置的实施例，该实施例中包括主机E0例如矿用本安型分站，RS485总线连接的从机E1～En例如4台总线型传感器E1～E4(不限于4台)，设备E0～E4均采用ARM架构的MCU(例如Cortex-M4内核的STM32F407VET6)，具体工作过程如下：
(1)设备E0～E4开启32位定时器自动重装模式作为运行的系统节拍，周期1s，定时器时钟与主频一致不分频，例如168MHz或者84Mhz；
(2)选择一帧数据中特定某个字节用作距离测量计时，例如校时帧特定第3字节(不仅限于此帧此字节)，主机E0发送完第3字节捕获定时器的时间戳作为定时起始值T0；
(3)被呼叫的从机Ei，例如第2台E2接收到主设备呼叫的数据帧特定字节时捕获定时器的时间戳作为到达时间值TiR；
(4)被呼叫的从机Ei对接收数据进行分析处理，回发数据，对应特定字节时，捕获定时器的时间戳作为回发时间值Tis，同时将TiR和Tis数值填入本帧后续字节中一起发送；
(5)主机E0收到从机Ei回发数据帧特定字节时捕获定时器的时间戳作为定时结束值TEnd；
(6)主机E0和被呼叫从机Ei之间传输时间由式(1)可得T0i，电波在通信电缆中传播速度为vs(查询表1得到传播速度vs)，由式(2)则可计算出主机E0与被呼叫从机Ei之间距离D0i；
(7)沿线其它从机和被呼叫从机之间距离测量，沿线其它从机一直处于监听状态，任意一台从机Ej收到主机E0发送的特定字节对应时间Tj0，收到从机应答数据帧发送的特定字节对应时间TjEnd；
(8)沿线从机Ej和被呼叫从机Ei之间传输时间由式(3)可得Tji，电波在通信电缆中传播速度为vs，由式(4)则可计算出从设备Ej与被呼叫设备Ei之间距离Dji；
(9)以被呼叫从机Ei为一维坐标原点，主机和所有从机距离一起组成一维数组A0i＝[D0i,D1i,...,0,...,Dji,...,Dni]；
(10)同理，主机E0另外呼叫一台从机Em，得到另外一个一维数组A0m＝[D0m,D1m,...,0,...,Djm,...,Dnm]，再根据式(5)得到所有从机距离主机的一维位置坐标X＝[X1,X2,...,Xi,...,Xn]。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于RS485总线的多台设备有线测距方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：利用特定标志的通信数据收发作为时间测量信号；
S2：所有时间计量直接采用捕获MCU的定时器时间戳，计算相对时间差；
S3：信号接收端回发数据分析、处理时间，方便扣除计算信号净传输时间；
S4：沿线从设备采用监听数据同时完成相互之间距离计算。
2.根据权利要求1所述的多台设备有线测距方法，其特征在于，步骤S4中，计算设备之间的距离包括：主机和被呼叫从机的距离，具体计算方法为：设电波在电缆中传播速度为vs，计算出主机E0与被呼叫从机Ei之间距离D0i为：
其中，T0i为主机E0到被呼叫从机Ei数据帧传输的飞行时间，TEnd为主机接收到从机Ei应答信息时刻，Tis为被呼叫从机Ei发出信息时刻，TiR为被呼叫从机Ei接收信息时刻，T0为主机E0发出信息时刻。
3.根据权利要求1所述的多台设备有线测距方法，其特征在于，步骤S4中，计算设备之间的距离包括：其它从机和被呼叫从机之间的距离，采用监听数据的方式进行测量，具体计算方法为：设电波在电缆中传播速度为vs，计算出从机Ej与被呼叫从机Ei之间距离Dji为：
其中，Tji为从机Ej到从机Ei数据帧传输的飞行时间，TjEnd为接收到从机Ej应答信息时刻，Tis为从机Ei发出信息时刻，TiR为从机Ei接收信息时刻，Tj0为从机Ej接收到主机呼叫信息时刻。
4.根据权利要求1所述的多台设备有线测距方法，其特征在于，步骤S4中，以被呼叫从机Ei为一维坐标原点，主机和所有从机距离一起组成一维数组A0i＝[D0i,D1i,...,0,...,Dji,...,Dni]；
同理，主机E0另外呼叫一台从机Em，再得到另外一个一维数组A0m＝[D0m,D1m,...,0,...,Djm,...,Dnm]，根据两个一维数组中的距离值对比计算出总线上所有设备的坐标：
其中，Xk是每台设备以主机为坐标原点的一维坐标，Dki为从机Ek和从机Ei之间距离，D0m为主机E0和从机Em之间距离，Dkm为从机Ek和从机Em之间距离，fT是计量飞行时间的定时器频率值；
根据得到的Xk，建立以主机为坐标原点，总线上所有从机一维位置坐标X＝[X1,X2,...,Xi,...,Xn]。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的多台设备有线测距方法，其特征在于，该方法中，主机E0通过RS485总线和从机E1到En连接，采用半双工通信方式，主机呼叫其中一台从机Ei，被呼叫从机Ei应答，其余从机处于监听状态。
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