基于SDLC協(xié)議的同步RS 485總線控制器的設(shè)計(jì)
1 SDLC協(xié)議和RS 485總線協(xié)議介紹
1．1 SDLC協(xié)議簡介
同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC)是19世紀(jì)70年代IBM公司開發(fā)的傳輸協(xié)議，它取代了二進(jìn)制同步(BSC)協(xié)議。SDLC等價(jià)于網(wǎng)絡(luò)通信中的開放系統(tǒng)互連(0SI)模型的第二層。這一層協(xié)議保證數(shù)據(jù)單元從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)成功到達(dá)下一個(gè)，流到正確位置。
SDLC使用通信初級(jí)站一次級(jí)站模型。在IBM大型機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)通常是初級(jí)站和工作站，其他設(shè)備為次級(jí)站，各個(gè)次級(jí)站有自身的地址。多個(gè)設(shè)備或次級(jí)站使用多點(diǎn)排列連接到一條公共線。SDLC也可用于點(diǎn)到點(diǎn)通信，它主要用在寬域網(wǎng)(WAN)的遠(yuǎn)程通信。
SDLC是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議高層次數(shù)據(jù)鏈控制(HDLC)的基礎(chǔ)。它成為IBM的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(SNA)和系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)(ASS)的一部分，現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用于大型機(jī)數(shù)據(jù)鏈控制中。
1．2 RS 485總線協(xié)議簡介
電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1983年制訂并發(fā)布RS 485標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)TIA通信工業(yè)協(xié)會(huì)修訂后命名為TIA／EIA一485一A，習(xí)慣地稱之為RS 485。RS 485是為彌補(bǔ)Rs 232通信距離短、速率低等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。其只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。因而在當(dāng)時(shí)看來是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)，具有相當(dāng)高噪聲抑制，相對(duì)高的傳輸速率，傳輸距離遠(yuǎn)和寬的通信平臺(tái)。
RS 485接口大多連接成半雙工通信方式，其主要特點(diǎn)有：平衡差分傳輸，多點(diǎn)通信；雙絞線傳輸。理想情況下最大輸入電流為0．18～110 mA(一7～+12 V)；最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載(UL)；最大傳輸速率為10 Mb／s；最大電纜長度為121 912 m(4 000 ft)；差分輸入范圍為一7～+12 V。RS 485總線在通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS 485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS 485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路需由使能信號(hào)加以控制。RS 485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS 485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。
2 設(shè)計(jì)思想及原理
眾所周知，經(jīng)常接觸的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型和總線型3種結(jié)構(gòu)。但是RS 485有其特殊的性能限制了該設(shè)計(jì)只能采用總線型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
在該設(shè)計(jì)中，采用多站點(diǎn)通信方式，它與一般的通信方式不同，這里采用的是主從結(jié)構(gòu)式，也就是說在這多點(diǎn)通信過程中，只設(shè)一個(gè)主站，其他都為從站。在通信過程中，從站只能與主站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而從站與從站之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)交z只能通過主站進(jìn)行中轉(zhuǎn)。每一個(gè)站都有他自身的站地址．通信開始所有從站處于接收狀態(tài)，等待主站的呼叫。當(dāng)主站以命令包的形式向
鏈路上某一從站發(fā)出命令時(shí)，所有從站接收命令幀中的站地址信息，并與自己站地址相比較，如果相符，說明主站在呼叫自己，從而接收并解析和執(zhí)行命令；之后從站應(yīng)向主站發(fā)回應(yīng)答信息數(shù)據(jù)后以結(jié)束本次通信，否則不予理睬，繼續(xù)等待接收。在通信結(jié)束后，從站繼續(xù)處于接收狀態(tài)，等待命令。
3 多站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方式
3．1 工作方式
常見的RS 485站點(diǎn)多為2個(gè)站點(diǎn)，這里給出多站點(diǎn)下RS 485的工作方式。RS 485多站通信方式一般分為正常模式、監(jiān)聽模式和廣播模式。
RS 485多站通信過程中，主站與從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定，每一個(gè)站都有自己的站地址。主站在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)幀頭是從站的站地址，在正常模式下，從站只能接受到跟自己地址相匹配的一對(duì)一數(shù)據(jù)，如果跟自己地址不匹配則只能等待，直到等到跟自己地址匹配再開始接收數(shù)據(jù)。而監(jiān)聽模式則是從站地址為0XFF，不管主站的地址是什么，從站都能收到數(shù)據(jù)，這也就是所謂的監(jiān)聽。相對(duì)于監(jiān)聽來說廣播模式則相反，廣播模式是主站設(shè)置為0XFF，不管從站的地址是什么，從站都能收到主站發(fā)過來的數(shù)據(jù)。通過以上3種方式，Rs 485多站點(diǎn)通信方式的測(cè)試具有有效性與合理性。
3．2 工作流程
為了使通信協(xié)議簡單，通信可靠，在通信系統(tǒng)中常采用“主一從”及“命令一應(yīng)答”方式。即每次通信工作均由“主站”發(fā)出命令幀，由“從站”返回響應(yīng)幀。在定義通信協(xié)議時(shí)，還應(yīng)明確：明確幀的最大長度和最小長度；明確幀是周期或非周期傳輸；若為周期性，明確發(fā)送方周期時(shí)間及幀間最大時(shí)間間隔。另外，協(xié)議中還需定義通信失敗的處理方法，如：本幀通信出錯(cuò)要求重試和重試的次數(shù)；重試仍然出錯(cuò)，則采用重新初始化通信接口或切換通信通道；如果上述兩點(diǎn)措施后仍然出錯(cuò)，則報(bào)告通信故障，停止。為此該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。
在測(cè)試過程中，通過更改波特率(abaud，bbaud)來測(cè)試對(duì)主從站的影響。軟件實(shí)現(xiàn)如下：
因?yàn)樵谠撛O(shè)計(jì)中，RS 485有2路通信，所以A，B通道都要初始化。
4 使用RS 485需注意的問題
在使用Rs 485總線過程中，難免有些因素(如可靠性及通信速度)會(huì)因?yàn)橥饨鐥l件的不同而受到不同的影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免這些因素產(chǎn)生不良影響。
4．1 在通信電纜中的信號(hào)反射
在通信過程中，有2種信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。這種信號(hào)反射的原理與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。要消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。如圖3所示。
從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通信波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少地還會(huì)存在信號(hào)反射。引起信號(hào)反射的另一個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通信線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CR(：校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。
4．2 在通信電纜中的信號(hào)衰減
第二個(gè)影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩厥切盘?hào)在電纜的傳輸過程中會(huì)衰減。一條傳輸電纜可以看作由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路。電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。
4．3 分布電容對(duì)RS 485總線傳輸性能的影響
電纜的分布電容主要由雙絞線中兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。另外，導(dǎo)線與地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)也不能忽視。分布電容對(duì)總線傳輸性能影響的，主要原因是總線上傳輸?shù)男盘?hào)是基波信號(hào)，信號(hào)的表達(dá)方式只有“1”和“O”。在特殊字節(jié)中，如0x01，信號(hào)“O”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號(hào)“1”到來時(shí)，由于分布電容中的電荷來不及放電，(Vin+)一(Vin一)還大于200 mV，結(jié)果使接收誤認(rèn)為是“O”，而最終導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸錯(cuò)誤。由于總線上的分布影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能降低。解決這個(gè)問題有2種方法：降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?；使用分布電容小的電纜，提高傳輸線的質(zhì)量。
5 結(jié) 語
這里主要介紹了基于SDLC協(xié)議的同步RS 485總線數(shù)據(jù)通信控制器的設(shè)計(jì)思想及使用RS 485需要注意的一些問題。RS 485總線具有實(shí)時(shí)性好，造價(jià)低，可靠性高等特點(diǎn)，因而現(xiàn)在已被普遍應(yīng)用在工業(yè)及軍事方面。
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