CN114967559A - 一种新型工业通信总线控制器 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种新型工业通信总线控制器，它主要由PLL，CLKDIV时钟分频模块，配置管理模块，接口管理单元，发送控制器，位流处理器，数据校验单元，收发FIFO，错误管理及收发状态管理模块构成。产品应用时，MCU将数据交给总线控制器，总线控制器对数据执行校验并参与总线竞争，自动完成数据发送。控制器自动接收总线数据并执行校验，MCU读取数据并应用即可。基于本专利总线控制器，用户能在短期内开发出与RS‑485兼容，且具通信实时性的现场总线系统，所以特别适用于RS‑485产品技术升级，帮助获得通信与控制性能的显著提高。

Description

一种新型工业通信总线控制器

技术领域

本发明涉及一种新型工业通信总线控制器，属于工控领域。通过使用该控制器，处理器可将数据通信的任务交由控制器完成，新的现场总线系统能在保留传统RS-485长帧通信的基础上增加实时通信能力，显著提高总线系统构建的灵活性，系统实时性及综合成本。

背景技术

目前工业自动化行业中常用的现场总线主要有CAN-bus和RS-485。RS-485总线具有硬件成本低廉，挂节点多，使用简单，单帧数据长度不受限制，传输距离远的优点。

RS-485是一种半双工总线，通信过程中数据的收发控制完全依赖于MCU。在RS-485的总线系统中，主要采用一主多从的网络结构，每个站点都分配一个地址，主站逐一发送命令轮询读取各站点数据。轮询的另外一个作用是用于保证任何时候，网络中都只有一个站点往总线上发送数据。如果多个站点同时往总线上发送数据，结果会因为信号干扰导致所有站点均不能正常接收，系统无法正常通信。

RS-485总线广泛应用在工控场合，主要产品如PLC，变频器，远程I/O模块，传感器等。最常用的基于RS-485总线的通信协议为Modbus RTU协议。

当RS-485总线系统中从站较多时，这种一主多从的通信方式会导致系统通信效率显著降低，因为所有从站被轮询一周所需的时间开销极大。如果考虑部分从站出现应答超时的情况存在，那么轮询一周所需的时间将进一步变长。轮询周期变长，从站数据更新实时性就显著变差。

相比于RS-485，CAN-bus在通信实时性及方面较RS-485有明显优势。CAN-bus总线系统内允许存在多主多从，站点均可主动发送数据，单帧数据长度短，通信实时性高。在CAN2.0A/B中规定，一帧数据长度最多8字节，特别适合于实时控制场合。如果需要通过CAN-bus发送大量数据时，那么就需要对数据进行拆包发送，目标站点则在接收完成后对数据拼接，这就会导致软件开发难度增大。另外就是CAN-bus具有硬实时，当总线长度较长时，易引发应答超时错误，导致数据传送失败。CAN-bus对用户的专业技能要求较高，且不支持长帧通信，这就需要发明一种兼具CAN-bus和RS-485优势且可靠易用的现场总线技术。

发明内容

本发明涉及的是一种新型工业通信总线控制器，使用该控制器开发的总线可兼容传统RS-485总线，同时通过引入总线竞争、总线仲裁、数据校验等多种功能特性，克服了传统 RS-485总线通信实时性差的不足。

本专利描述的总线控制器框图如图1所示。它由PLL电路(1)，时钟分频电路CLKDIV单元(2)，配置/模式管理单元(3)，接口管理单元(4)，接收FIFO(5)，位流处理器(6)，发送FIFO(7)，发送控制器(8)，数据校验单元(9)及状态管理单元(10)构成。

进一步地，PLL通过CLK引脚连接外部时钟信号，为控制器提供时钟倍频，倍频系数可设置。倍频后的时钟信号进入CLKDIV单元，CLKDIV用于时钟分频，分频后的时钟为位流处理器提供数据接收触发检测。

进一步地，总线控制器需要与MCU配合使用。MCU通过接口管理单元访问对总线控制器配置运行参数，启动总线控制器，写入发送数据，接收数据及监视控制器运行状态。全部操作均通过读写内部寄存器完成。

进一步地，配置/模式管理单元为控制器提供运行配置参数，控制器仅在配置模式允许配置运行参数。这些配置参数包括倍频系数，波特率，发送位序，采样点，校验功能，中断等。控制器启用之前必须先执行参数配置，配置完成后，通过设置模式寄存器退出配置模式进入工作模式。

进一步地，控制器在工作模式下可执行数据的发送与接收。数据发送时，将数据通过控制器接口写入到发送FIFO中，并且执行发送请求。发送请求执行后，控制器将锁定发送FIFO 中的数据并计算出校验和。如果当前总线处于空闲状态，数据将会被立即发送。如果总线正处于繁忙，那么控制器将在总线空闲后的第11个位开始参与总线竞争，将数据发出。与此同时，控制器持续监测RX，并在预设的采样位置从RX取值。如果取样的逻辑值与发送值不一致，控制器将立即停止发送，并参与下一次总线竞争，直至数据发送完成。

具体地，发送或接收到的每帧数据均由连续的n个字节构成(n不大于255)，基于SCI 格式传输，包括1个起始位，8个数据位和1个停止位，字节之间没有额外的空闲位。数据传输位序可调整，可设置为MSB先发送或LSB先发送。在需要与RS-485通信兼容的场景，应设置LSB先发送。

进一步地，总线控制器在监测到连续的11个隐性位时将总线的状态判定为空闲状态。

进一步地，总线控制器在监测到一个突发的下降沿，将触发启动位流处理器(6)开始按位接收总线数据，自动拼接成字节。如果起始位异常或停止位异常，位流处理器将停止数据接收并报错。数据接收完成经验收正确后存入空闲的接收FIFO，如果所有接收FIFO均不可用则产生数据溢出错误。数据存入成功后，状态寄存器发生变化，可通过中断或状态查询执行数据接收。

进一步地，本专利的总线控制器采用求和方式对数据执行收发校验。数据校验功能可通过配置开启或关闭。仅在总线控制器开启校验功能时，数据发送和接收才执行数据校验。校验功能关闭的情况下，数据发送与接收均不执行校验。

进一步地，为规避发送者与接收者时钟偏差引起的接收错误，接收时控制器通过数据起始位完成数据接收同步。

进一步地，本专利的总线控制器支持错误识别，包括总线钳位超时错误、帧间隔错误、位错误、接收校验错误。

进一步地，本专利的总线控制器支持单次传输和失败自动重传模式。

进一步地，支持数据接收完成、数据发送完成及总线错误中断输出。

通过使用本专利的总线控制器，用户可轻松构建多主多从的现场总线系统，而用传统 RS-485却只能构建单主多从系统。在基于本专利控制器开发的总线系统中，数据收发过程控制主要由总线控制器完成，每个站点均可自由发送数据，整个网络不再依赖轮询模式通信。数据请求大量减少，总线占用率降低，通信实时性显著增强。站点规模越大的总线网络，这种实时性优势越明显。

同时，本专利的控制器单帧最长可发送多达255字节，能与RS-485总线兼容。这样，对于没有实时性要求的站点可以继续沿用RS-485通信，通过轮询方式与之通信。对于有实时性要求的站点，则采用本专利的控制器。这样的一种混合模式可最大化实现经济性与实用性平衡。

另外，本专利的控制器因为不支持总线滤波，不支持ACK应答，所以应用配置较CAN-bus 更简单，更易用。

基于本专利的多站点总线系统示意图如图4所示。

附图说明

图1为通信控制器框图

图2为收发器电路图

图3为控制器应用示意图

图4为总线网络示意图

图中：1、PLL电路，2、时钟分频电路，3、配置/模式管理模块，4、接口管理单元，5、接收FIFO，6、位流处理器，7、发送FIFO，8、发送控制器，9、数据校验单元，10、状态管理单元。

具体实施方式

本发明涉及的是一种新型工业通信总线控制器，通信控制器系统框图如图1所示。它由 PLL电路(1)，时钟分频电路CLKDIV单元(2)，配置/模式管理单元(3)，接口管理单元(4)，接收FIFO(5)，位流处理器(6)，发送FIFO(7)，发送控制器(8)，数据校验单元(9)及状态管理单元(10)构成。

为便于控制器的开发应用，本发明中为控制器定义了必要通信及控制接口，用于实现MCU 对控制器配置与数据读取。控制器引脚定义如表1所示。

表1控制器引脚定义

总线控制器在应用时，须配套总线收发器电路。本专利中推荐的收发器电路如图2所示，它可与RS-485收发器兼容。收发器将总线控制器发出的TTL信号转换为总线差分信号，同时将总线差分信号转换为TTL输出至总线控制器。差分信号在传输过程中具有更好的干扰抑制能力，传输距离更远，可靠性更高。收发器电路的工作真值表如表2所示。

表2收发器真值表

在隐性状态时，DH和DL的电压是靠电阻上下拉维持。在显性状态时，DH通过晶体管直接与地连通，DL则与+5V连通，从而使总线瞬间被钳位，只体现出显性状态。这是本发明中总线控制器实现通信位仲裁的基础。多个收发器连接在总线时，不同信号叠加(逻辑&) 后的总线如表3所示。

表3线与关系表

发送信号1	发送信号2	逻辑关系	结果
				显性	显性	&	显性
显性	隐性	&	显性
				隐性	隐性	&	隐性

完整的通信站点如图3所示，由MCU、总线控制器、收发器及执行机构。收发器与总线直接相连。DH和DL分别表示总线数据高和总线数据低，MCU通过控制器与网络其他站点通信，并对接收的数据进行处理，执行相应控制动作。基于本专利控制器开发的多个站点组成的总线系统示意图如图4所示，新型总线网络同时也允许RS-485设备接入，但是RS-485 设备在新总线网络中仍然只能以轮询方式工作。

总线控制器工作之前，MCU必须对它做必要的配置。包括对PLL倍频配置，波特率配置，采样点配置，校验配置，发送位序配置，发送模式配置，中断配置。配置完成后，通过MCU设置总线控制器内部的模式寄存器使其退出配置模式，进入工作模式。

控制器发送FIFO深度为255字节，所以单次发送数据长度不得超过255字节。启动发送前，MCU将待发数据写入控制器发送FIFO。数据准备就绪后，通过设置控制器内部的发送请求位执行数据发送。

在数据发送请求执行后，如果启用了数据校验，控制器将在数据发出前自动完成数据校验和计算。同时，总线控制器将会根据当前总线状态确定数据发送的时机。当控制器检测到当前总线正处于空闲状态，那么数据将会被立即发送。如果当前总线正被占用，那么将会在总线空闲后的第11bit参与总线竞争并尝试将数据发出。如果发送期间竞争失败，控制器将根据配置的发送模式确定是否等待下一次总线空闲时重新发送。

控制器校验算法下：

Sum为8位无符号数，初始值为0。

Sum＝data1+data2+...+dataN

Sum＝～sum+1

发送期间，控制器将在每一个数据位发送后通过RX在预设的采样位置对总线采样，并将采样值与当前发送值比对，如果发送隐性位，但RX采样为显性位，表示仲裁失败，控制器立即停止本轮发送。如果发送显性位，监测到隐性位，那么将产生位错误。同样，控制器在停止位监测到显性位也会产生位错误。

总线数据接收通过总线控制器位流处理器去完成，它通过数据起始位侦测总线数据并启动接收，持续将串行位流转换为字节数据。接收过程中，如果控制器开启了校验功能，控制器对接收的数据执行校验，帧数据接收完成时，如果校验结果正确那么数据将会转移至接收 FIFO并通过状态或中断告知MCU有新数据接收完成。

总线控制器内部设置了3个接收FIFO，每个FIFO的深度为255字节。在收到新数据后，如果接收FIFO均不为空，将产生接收溢出错误，溢出的数据被自动丢弃。

控制器运行状态、总线错误状态、FIFO状态、数据发送状态等多种状态均可通过总线控制器的状态寄存器查询。如果开启了相应中断，那么当状态置位时将触发中断通知MCU去处理相应事件，这样可提高MCU工作效率。

目前该总线控制器已通过Verilog在FPGA上开发验证完成，并进行了实际应用测试，主要功能符合设计预期。

以上是对本发明具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明专利的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明专利保护范围。

Claims (10)

1.一种新型工业通信总线控制器，其特征在于由PLL电路(1)，时钟分频电路CLKDIV单元(2)，配置/模式管理单元(3)，接口管理单元(4)，接收FIFO(5)，位流处理器(6)，发送FIFO(7)，发送控制器(8)，数据校验单元(9)及状态管理单元(10)构成。

2.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于具备通信位仲裁功能，数据发送期间，当总线采样值与发送值不同时，控制器停止数据发送。

3.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于每帧数据由连续的n个字节构成(n不大于255)，基于SCI格式传输，每个字节包括1个起始位，8个数据位和1个停止位，字节之间无额外空闲位。

4.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于数据传输位序可设置为MSB在前或LSB在前。

5.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于通过数据起始位完成数据接收同步。

6.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于采用求和方式对数据执行收发校验，数据发送时，校验和跟随在数据帧末端发送，数据接收完成时自动去除校验和。

7.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于数据校验功能可通过配置使其开启或关闭。

8.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于具备总线错误识别，包括总线钳位超时错误、发送位错误、接收校验错误。

9.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于支持单次传输和失败自动重传模式。

10.根据权利要求1所述的一种新型工业通信总线控制器，其特征在于支持数据接收完成、数据发送完成及总线错误中断输出。

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