CN114374579B - 一种rs485总线竞争型通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过总线侦听和冲突检测，实现了RS485总线的控制权竞争，不再需要主节点管理控制，打破了主/从节点概念，各节点完全对等，可实现RS485总线中任意节点的数据主动上报，方案实现简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能表中RS485总线竞争型通信方法。
背景技术
RS485是一种低成本的通信总线，因为只有2根线，容易部署，且通信距离较远，被广泛应用，是大多数物联网终端及采集设备的标配，如智能电能表。
但是，RS485总线一般只适应于有主节点的星型结构，大多数情况下，是主节点发起通信指令，从节点响应。这样就形成了两个问题，一是从节点有事件发生时，不能主动上报，必须等待主节点轮询到自己，才能上报，造成响应不及时或主节点需不停的轮询，占用总线资源；二是从节点之间不能相互通信，而事实上，RS485总线上的各节点物理上是对等的，应可以实现总线控制权竞争。
早期的以太网是采用同轴电缆传输，所有的电脑都通过BNC头并联在总线上，它与RS485在物理层上是相似的，而同轴电缆以太网的各节点基于CSMA/CD协议来竞争发送数据的总线控制权，因此本发明借用CSMA/CD协议思路来实现。CSMA/CD（Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议）是广播型信道中采用一种随机访问技术的竞争型访问方法，其中载波侦听、冲突检测、时序控制是关键。
CSMA/CD（多点接入载波监听/冲突检测）协议，计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。
载波监听就是利用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送。载波监听实际上就是检测信道。在发送前，每个站不停地检测信道，是为了获得发送权；在发送中检测信道，是为了及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞，这就是碰撞检测。总之，载波监听是全程都在进行的。
碰撞检测就是边发送边监听。就是网卡边发送数据边检测总线上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据的时候其他站是否也在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大（互相叠加），当网卡检测到的信号电压超过一定的门限值时，说明总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（冲突），所以也称为冲突检测。这时，由于接收的信号已经识别不出来，所以任何一个正在发送的站就会立即停止发送数据，然后等待一段随机事件以后再次发送。
如果RS485也要实现总线控制权竞争，那么就同样需要实现载波侦听和冲突检测。
对于RS485来说，因为RS485与控制器MCU之间是标准的UART通信，UART在字节传输时有附加的起始位、校验位、停止位，通过这些附加位，在接收时，每个字节都能产生一个接收中断，可以用于判断总线的是否忙，相当于CSMA/CD协议中的载波侦听。
冲突检测是要求在数据发送过程中检测其它节点是否存在数据发送，同轴电缆以太网是由网卡上的专用电路或器件来完成的，其检测方法是在发送数据时检测总线上的信号电压的变化情况。而现有的RS485芯片和常规的电路设计都不具备这个能力，故需要对现有的RS485进行改进，以实现竞争通信。
发明内容
为了克服现有技术中RS485从节点不能主动上报事件以及从节点之间不能相互通信的不足，本发明提供一种利用总线侦听方法去捕捉总线空闲状态，配合时序控制，与其他节点竞争通信发送优先权的一种RS485总线竞争型通信方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种RS485总线竞争型通信方法，包括总线侦听和冲突检测，其中，
总线侦听，每个节点在数据发送前，在接收数据，判断是否有数据发送给自己，由于RS485与控制器MCU之间采用UART通信，每接收一个字节都产生一个接收中断，用于判断总线是否忙；对RS485电路进行改进，将RS485芯片的数据传输端DI脚接地，MCU通过或非门连接使能端RE与DE，MCU的TXD端与或非门的两个输入端连接，或非门的输出端连接RE与DE，数据传输端 RO端连接 MCU的RXD端，冲突检测信号CD接入MCU的I/O中断，总线A线通过上拉电阻连接电源，总线B线通过下拉电阻接地，则当总线为空闲时，总线状态为“1”。 冲突检测，节点在数据发送时，若发送的数据为“0”，TXD为“0”，RS485芯片为发送模式，则正常发出数据“0”，若发送数据为“1”，TXD为“1”，RS485芯片切换到接收模式，并且利用总线空闲时状态为“1”特点，其他节点接收数据为“1”，冲突检测信号CD接入MCU的I/O中断，且CD的逻辑表达式 ，如果此时其他节点有数据发送“0”，则本节点的RXD为“0”，冲突检测信号CD为“0”，判断为总线存在冲突，在检测到冲突后，将RS485总线置为“0”状态超过1个字节的发送时间，这样任何一个节点都能检测到发生了总线冲突，从而放弃已接收的字节，恢复到总线竞争状态。
作为优选，设置有一个4字节传输时间的防冲突处理间隙，当总线有多种通信波特率时，用最低的通信波特率来确定，传输时间小于防冲突处理间隙的报文会被丢弃。
由于RS485与控制器MCU之间是标准的UART通信，UART在字节传输时有附加的起始位、校验位、停止位，通过这些附加位，节点在接收时，每个字节都能产生一个接收中断，可以用于判断总线的是否忙，相当于CSMA/CD协议中的载波侦听。异步串行通信，是以时间宽度来判断每bit数据的，当比特波特率9600bps，无校验，那么每个字节为10bit（1比特起始位+8bit数据+1bit停止位），则每个字节的传输时间为10/9600秒，只要检测到起始位特征，经过10/9600秒，就会产生一个接收中断。
而冲突检测时对RS485的电路进行改进后，若接收数据，TXD为“1”，RS485芯片为正常接收模式，若发送的数据为“0”，TXD为“0”，RS485芯片为发送模式，则正常发出数据“0”，若发送数据为“1”，TXD为“1”，RS485芯片切换到接收模式，且利用总线空闲时状态为“1”特点，相当于发送了数据“1”。实现了在数据发送期间接收到其它节点发送信号的可能，用于冲突检测。如果此时其它节点有数据发送“0”，本节点的RXD为“0”，冲突检测信号CD为“0”，判断为存在总线冲突。
本发明的有益效果在于：本发明实现了RS485总线的控制权竞争，不再需要主节点管理控制，打破了主/从节点概念，各节点完全对等；可实现RS485总线中任意节点的数据主动上报；方案实现简单，成本低。
附图说明
图1是发明RS485的电路结构示意图。
图2是冲突检测信号产生电路。
实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细说明。
一种RS485总线竞争型通信方法，包括总线侦听和冲突检测。
总线侦听，每个节点在数据发送前，在接收数据，判断是否有数据发送给自己，由于RS485与控制器MCU之间采用UART通信，每接收一个字节都产生一个接收中断，可以用于判断总线是否忙。
冲突检测，对RS485电路进行改进。
表1
表1为485芯片的管脚功能表。
如图1所示，将RS485芯片的数据传输端DI脚接地，MCU通过或非门连接使能端RE与DE，数据传输端 RO端连接 MCU的RXD端，RS485的CD端接入MCU的I/O中断，总线A线通过上拉电阻连接电源，总线B线通过下拉电阻接地。节点在数据发送时，若发送的数据为“0”，TXD为“0”，则DE端为高电平有效，RS485芯片为发送模式，则正常发出数据“0”，若发送数据为“1”，TXD为“1”，RE端为低电平有效，RS485芯片切换到接收模式。由于当总线为空闲时， A线上拉，B线下拉，则总线状态为“1”，此时利用总线空闲时状态为“1”特点，其他节点接收数据为“1”。如果此时其他节点有数据发送“0”，则本节点的RXD为“0”，冲突检测信号CD为“0”，其中，，判断为总线存在冲突，在检测到冲突后，将RS485总线置为“0”状态超过1个字节的发送时间，这样任何一个节点都能检测到发生了总线冲突，从而放弃已接收的字节，恢复到总线竞争状态。
节点在不发送数据时，MCU的TXD脚，默认输出为“1”，RS485的收发控制引脚RE为逻辑0状态，RS485芯片处于接收状态，与正常的接收情况一致。如果总线上有数据发送，则接收该数据，由于每个节点都有相应的地址，如果数据是发送给本节点的，则接收数据，如果不是发送给本节点，则丢弃该数据。相当于每个节点在发送前，在接收数据。由于RS485与控制器MCU之间采用UART通信，每个字节上有起始位和停止位，每个字节MCU都能产生一个接收中断，可以用于判断总线的是否忙，相当于CSMA/CD协议中的载波侦听。如果总线处于空闲状态，由于A线做上拉处理、B线做下拉处理，总线状态为“1”，其他节点接收数据为“1”。
节点在发送数据时，如果发送的数据为“0”，MCU的TXD脚输出为“0”，RS485的收发控制引脚DE为1状态，RS485芯片处于发送状态，由于发送数据引脚DI固定接低电平，因此正常发出了数据“0”。
如果发送的数据为“1”，MCU的TXD脚输出为“1”，RS485的收发控制引脚RE为逻辑0状态，RS485芯片处于接收状态，此时利用总线空闲时，总线状态为“1”这一特点，其他节点RS485芯片接收数据为“1”，相当于完成了发送数据“1”，而且此时，本节点处于接收状态，还可以接收来自其他节点发送的数据，用于冲突检测。
冲突检测CD，并将CD接入MCU的I/O中断，CD的逻辑表达式如下：
在此处U符号表示或门，冲突检测只判断TXD脚发送数据为“1”时，如果此时，RXD接收为“0”，则判断为总线冲突。当节点未发送数据阶段，不存在冲突，直接进入总线竞争状态，当发送0时，进行冲突检测的是其他发送节点，当发送1时，检测其他节点是否在发送0。
冲突检测中会出现多种情况，假设发生冲突的节点为E和F：
1）若发送节点E、F完全不同步，这种是大多数情况，因为E和F在发送“0”的时间错位，每个字节数据发送至少有1个起始位“0”出现，双方都很快收到了对方的“0”而使冲突检测信号CD为0；因为E和F发送时间不同步，即使发送相同的数据，也会有错位的情况，比如E开始发送0时，F原来的1还没发送完成，F在这个时间差时就会产生CD为0，此时CD=0的时间可能比较短。
2）若发送节点E、F完全同步，且发送字节一致，此时总线上所有节点都能接收到正确数据，冲突检测顺延到下一字节；
3）若发送节点E、F完全同步，但发送字节不一致，则该发送字节至少有1位不同，假定节点E、F节点分别对应为“0”和“1”，节点F的TXD为1，RXD为0，则CD为0，则节点F能检测到来自节点E的“0”，节点F的冲突检测信号CD为0。
为了保证总线冲突能被其它节点正确判断，在检测到冲突后，将RS485总线置为“0”状态超过1个字节的发送时间，这样任何一个节点都能检测到发生了总线冲突，从而放弃已接收的字节。
冲突发生后，可以采用CSMA/CD的截断二进制指数退避算法来实现重传。
防冲突处理间隙是检测到冲突后，需要经过这么长时间，才能回复总线竞争状态。
最小报文长度就是这个“防冲突处理间隙”折算成对应波特率的字节数，若小于这个字节数，在防冲突检测的时隙内报文就传输完了，期间若冲突发生，接收端会收到有数据位错误的bit，接收端（无冲突的节点）可能无法判断是数据帧的正确与否，将错误的数据当成有效数据进行了处理。设置了最小报文长度后，就可以杜绝这个问题，因为冲突检测后的时隙内有一个字节长时间的总线拉低为0的处理，因为帧接收还没完成，接收端是可知道总线已经发生了冲突的，会放弃数据。
为了保证冲突检测不误判，防冲突处理间隙按4个字节传输时间考虑，且都是每字节11位计算，即防冲突处理间隙44位数据传输时间。当总线的通信波特率为2400bps时，防冲突处理间隙约18.33mS。当通信波特率为115200bps时，防冲突处理间隙约0.38mS。在实际应用中，RS485总线可能存在多种波特率并存的通信情况，如智能电能表应用，不同版本的电能表混装，通信波特率有2400、4800、9600bps，以后还可能更高。
若在总线中要兼容多种通信速率，但报文传输是以字节为单位的，需以最小波特率的防冲突处理间隙来折算每帧报文长度，即低于最小报文长度时，需在报文末尾补充数据使之达到最小报文长度。
时间折算最小报文长度时，还与是否有校验相关，下表是一个兼容2400~115200bps的各种波特率的最小报文长度。
表2
本发明实现了RS485总线的控制权竞争，不再需要主节点管理控制，打破了主/从节点概念，各节点完全对等，可实现RS485总线中任意节点的数据主动上报。可解决很多实际问题，如智能电能表的全事件上报。
本发明中，RS485仍然采用通用的RS485芯片，并未使用专用芯片，仅冲突检测信号CD的产生需要额外增加几个反向与非门电路，实现的成本非常低廉。且算法也很简单，不需要很复杂的高性能MCU，因此，具有较好的推广价值。
Claims (2)
1.一种RS485总线竞争型通信方法，其特征在于：包括总线侦听和冲突检测，其中，
总线侦听，每个节点在数据发送前，在接收数据，判断是否有数据发送给自己，由于RS485与控制器MCU之间采用UART通信，每接收一个字节都产生一个接收中断，用于判断总线是否忙；
对RS485电路进行改进，将RS485芯片的数据传输端DI脚接地，MCU通过或非门连接使能端RE与DE，MCU的TXD端与或非门的两个输入端连接，或非门的输出端连接RE与DE，数据传输端 RO端连接 MCU的RXD端，冲突检测信号CD接入MCU的I/O中断，总线A线通过上拉电阻连接电源，总线B线通过下拉电阻接地，则当总线为空闲时，总线状态为“1”；冲突检测，节点在数据发送时，若发送的数据为“0”，TXD为“0”，RS485芯片为发送模式，则正常发出数据“0”，若发送数据为“1”，TXD为“1”，RS485芯片切换到接收模式，并且利用总线空闲时状态为“1”特点，其他节点接收数据为“1”，将冲突检测信号CD接入MCU的I/O中断，且CD的逻辑表达式，如果此时其他节点有数据发送“0”，则本节点的RXD为“0”，冲突检测信号CD为“0”，判断为总线存在冲突，在检测到冲突后，将RS485总线置为“0”状态超过1个字节的发送时间，这样任何一个节点都能检测到发生了总线冲突，从而放弃已接收的字节，恢复到总线竞争状态。
2.根据权利要求1所述的一种RS485总线竞争型通信方法，其特征在于：设置有一个4字节传输时间的防冲突处理间隙，当总线有多种通信波特率时，用最低的通信波特率来确定，传输时间小于防冲突处理间隙的报文会被丢弃。
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