GPIO實(shí)現(xiàn)高可靠性RS485/422通信的研究

1.引言

工程實(shí)踐中，對(duì)于解決同一個(gè)問(wèn)題，我們常面臨兩種選擇：要么硬件簡(jiǎn)單軟件復(fù)雜，要么軟件復(fù)雜硬件簡(jiǎn)單。如某引信系統(tǒng)的DSP電路，需要與內(nèi)部?jī)蓚€(gè)組部件以及外部多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行接口或者信息交互，且總體要求采用異步串口方式進(jìn)行通信。此類(lèi)問(wèn)題主要有三種解決方案：第一，在DSP的并行總線上擴(kuò)展UART芯片，通過(guò)硬件轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，軟件最簡(jiǎn)單;第二，在DSP的McBSP串行總線上擴(kuò)展UART芯片，軟件有一定的復(fù)雜度;第三，不擴(kuò)展其他硬件直接利用IO引腳通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)，該方法軟件最復(fù)雜。根據(jù)以往文獻(xiàn)可知在硬件資源允許的前提下，前兩種方法已經(jīng)得到了廣泛的研究。

然而在產(chǎn)品的研制過(guò)程中，常出現(xiàn)引信硬件資源緊張的情況，無(wú)法擴(kuò)展?jié)M足需求的UART,只能選擇第三種解決方式，總體的高波特率和高可靠性要求增加軟件設(shè)計(jì)的難度。筆者通過(guò)軟件的合理設(shè)計(jì)，成功地解決了以上問(wèn)題。

2.串行通信基本原理

串行通信的基本原理是以改變數(shù)字電平的方式將數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)間寬度(波特率)按位(通常低位在前高位在后)順序傳輸，分為同步串口和異步串口兩類(lèi)。同步串口通信主要應(yīng)用于傳輸速率高但傳輸距離要求不高的場(chǎng)合，異步串口則側(cè)重于傳輸速率要求稍低的情形。

圖1給出了異步串行通信的數(shù)據(jù)基本格式，對(duì)于一個(gè)完整的字節(jié)，傳輸時(shí)包含起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位。

實(shí)現(xiàn)同步串口通信通常需要6根總線，即收、發(fā)數(shù)據(jù)線，收、發(fā)幀同步線，收、發(fā)位時(shí)鐘線。而異步串口則最少可只需2條總線(最多4條)便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，如果采用差分傳輸還可以有效地提高傳輸距離，根據(jù)能否同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)又分為全雙工和半雙工兩種工作模式。

圖2是應(yīng)用最普遍的串口形式之一的RS485/422串口總線，RS485半雙工傳輸采用一對(duì)差分信號(hào)，由主控端的RE和DE來(lái)控制當(dāng)前數(shù)據(jù)收發(fā)，收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行;RS422全雙工傳輸采用兩對(duì)差分信號(hào)，主控端直接獨(dú)立收發(fā)，且收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行。

本研究通過(guò)軟件控制改變GPIO端口的狀態(tài)，完成RS485/422串口通信的時(shí)序。

3.基本流程設(shè)計(jì)

為提高軟件的質(zhì)量和可維護(hù)性，收發(fā)通訊實(shí)現(xiàn)時(shí)均采用位、字節(jié)和幀三個(gè)處理層次。每層相對(duì)獨(dú)立，低層處理的結(jié)果通過(guò)狀態(tài)傳遞方式通知上一層。

研究中采用的數(shù)據(jù)傳輸格式：1bit起始位“0”,8bit數(shù)據(jù)位(先低后高)，無(wú)校驗(yàn)位，1bit停止位“1”,每個(gè)字節(jié)累計(jì)為10bit.

3.1 發(fā)送通信流程

主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)形式的流程如下：

1)底層：位發(fā)送。在波特率控制的時(shí)間間隔內(nèi)將發(fā)送數(shù)據(jù)管腳置為和當(dāng)前bit一致的電平狀態(tài)。

2)中間層：字節(jié)發(fā)送，如圖3所示。發(fā)送當(dāng)前bit,發(fā)送完位計(jì)數(shù)器+1,如果位數(shù)達(dá)到10位，則當(dāng)前字節(jié)發(fā)送結(jié)束，并通知頂層;3)頂層：幀發(fā)送，如圖4所示。首先檢測(cè)串口當(dāng)前狀態(tài)是否為發(fā)送允許，如果不是則將串口置為接收禁止、發(fā)送允許狀態(tài)，確定了發(fā)送允許后進(jìn)入幀發(fā)送。幀發(fā)送按照?qǐng)?bào)文格式順序發(fā)送各字節(jié)，發(fā)送結(jié)束將串口設(shè)為發(fā)送禁止、接收允許狀態(tài)。

3.2 接收通信流程

接收通信需要把每一個(gè)bit的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)，確定字節(jié)的起止位，判斷幀的起止字節(jié)，也就是說(shuō)通過(guò)分析和計(jì)算將數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議所規(guī)定的每一個(gè)細(xì)節(jié)精確定位。對(duì)于幀起始時(shí)刻的判斷，根據(jù)圖1數(shù)據(jù)格式知在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，即使數(shù)據(jù)位為全“1”或全“0”,由于有起始位和停止位的存在，也不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)10個(gè)bit的“1”或“0”的情況，于是當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)10個(gè)bit的“1”時(shí)，則數(shù)據(jù)線處于停止傳輸?shù)臓顟B(tài);而連續(xù)出現(xiàn)10個(gè)bit的“0”時(shí)，則數(shù)據(jù)線處于異常狀態(tài)。于是接收通信開(kāi)始后至少連續(xù)10個(gè)bit的“1”之后的“0”可以作為幀的起始位。這里的“幀”不是指通信協(xié)議中的完整報(bào)文，只是指收到的一段數(shù)據(jù)，至于當(dāng)前字節(jié)是否為報(bào)文頭，則需根據(jù)協(xié)議判斷。好處是不漏任何數(shù)據(jù)，可靠接收約定報(bào)文。

接收通信流程如下：

1)底層：位接收，如圖5所示。位接收在由波特率確定的時(shí)間間隔到達(dá)時(shí)，采樣接收數(shù)據(jù)線的電平狀態(tài)作為當(dāng)前bit值，同時(shí)判斷幀起始位，幀開(kāi)始后的位接收完成，通知中間層進(jìn)行字節(jié)處理。

2)中間層：字節(jié)接收，如圖6所示。當(dāng)新bit接收完成時(shí)，將當(dāng)前Bit值按照格式組合到字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)字節(jié)位計(jì)數(shù)器滿(mǎn)一個(gè)字節(jié)時(shí)，如果滿(mǎn)足起始位“0”和停止位“1”的條件，字節(jié)接收完成，并通知頂層進(jìn)行幀接收控制，否則字節(jié)無(wú)效。

3)頂層：幀接收，如圖7所示。首先檢測(cè)串口當(dāng)前狀態(tài)是否為接收允許，如果不是則將串口置為接收允許、發(fā)送禁止?fàn)顟B(tài)，在確任接收允許后開(kāi)始收數(shù)。在新字節(jié)接收完成后，將新字節(jié)寫(xiě)入接收緩沖區(qū)，同時(shí)根據(jù)通信協(xié)議啟動(dòng)報(bào)文識(shí)別，直到收到一幀完整的報(bào)文，結(jié)束接收通信。根據(jù)實(shí)際需要可以加入通信超時(shí)控制。

4.面向?qū)ο髮?shí)現(xiàn)方法

在DSP中，對(duì)某一個(gè)GPIO管腳操作，需要對(duì)某一個(gè)寄存器的某一位進(jìn)行置位或者清零。

為避免每次對(duì)管腳操作時(shí)去尋找寄存器的地址和位地址這個(gè)易出錯(cuò)的缺點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用C++類(lèi)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，使用時(shí)只需在初始化時(shí)一次性的傳入寄存器及其位地址，其余用處均采用交互性良好的助記符。

4.1 GPIO管腳類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在構(gòu)建GPIO管腳類(lèi)時(shí)，圍繞寄存器以及位地址操作和電平操作進(jìn)行。

軟件數(shù)據(jù)類(lèi)型與處理器的型號(hào)相關(guān)，本文采用TMS3206713處理器，為有效控制數(shù)制，將硬件支持?jǐn)?shù)制和編譯系統(tǒng)符號(hào)相對(duì)應(yīng)，將C6000數(shù)據(jù)類(lèi)型重定義，在GPIO操作中主要使用無(wú)符號(hào)數(shù)。

4.2 串口類(lèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了區(qū)分當(dāng)前使用的串口類(lèi)型，故定義串口類(lèi)型號(hào)枚舉，為串口操作程序提供識(shí)別入口。

由類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)知，由于RS422和RS485所使用的管腳不同，為了將每種操作統(tǒng)一到一個(gè)函數(shù)中，采用了swtich結(jié)構(gòu)，其他成員函數(shù)類(lèi)似。其中發(fā)射函數(shù)Sending()對(duì)應(yīng)圖3、4中的流程，接收函數(shù)Receving()對(duì)應(yīng)圖5、6、7中的流程。

軟件設(shè)計(jì)以定時(shí)器為中心，由使用目的屬性來(lái)區(qū)分發(fā)送還是接收，以中斷方式控制通信時(shí)序，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信。在全雙工通信中，當(dāng)出現(xiàn)收發(fā)定時(shí)中斷沖突的極端情況時(shí)，可設(shè)定發(fā)送優(yōu)先，由于端口操作時(shí)間為納秒級(jí)，接收滯后處理的影響可以忽略不計(jì)。

5.位檢測(cè)與接收通信可靠性

由于每一個(gè)bit的檢測(cè)結(jié)果直接決定著接收數(shù)據(jù)是否正確，按照波特率所確定的時(shí)間間隔對(duì)端口電平采樣一次來(lái)確定bit的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的軟件，實(shí)驗(yàn)室拷機(jī)時(shí)存在誤碼現(xiàn)象，因此通過(guò)提高bit的檢測(cè)能力，降低誤碼率。bit檢測(cè)改進(jìn)方法如下：

(1)接收通信的位采樣仍然采用由波特率確定的時(shí)間間隔，但對(duì)于位檢測(cè)時(shí)，采用讀3次管腳電平然后進(jìn)行表決的方式確定當(dāng)前bit的值，有效降低了誤碼率，但仍有字節(jié)出錯(cuò)的問(wèn)題，因?yàn)?取2的方式可以部分地剔除納秒級(jí)的高頻毛刺，但不能有效抑制強(qiáng)干擾引起的電平翻轉(zhuǎn)，需進(jìn)一步改進(jìn)。

( 2 )將每一b i t檢測(cè)的時(shí)間間隔縮短到1/3,即對(duì)每一個(gè)bit進(jìn)行三次檢測(cè)，然后做3取2判決，并將連續(xù)30個(gè)1/3bit的高電平后的首個(gè)1/3bit低電平作為幀起點(diǎn)的先決條件，確保正常情況下每一bit的3個(gè)1/3bit都是同樣的電平值，這樣做的好處是每一個(gè)bit的檢測(cè)可以允許一個(gè)1/3bit出錯(cuò)。

以下進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，令改進(jìn)之前的誤碼率是p,引起誤碼的噪聲為非相干的，第一次改進(jìn)后，對(duì)于任一bit的三次檢測(cè)中允許有一次出錯(cuò)，因此在理想狀態(tài)下的誤碼率為檢測(cè)出錯(cuò)兩次和三次的條件概率：

如果p=10-6,那么最終的誤碼率可以降低到約為1.4×10-25,分析表明改進(jìn)措施應(yīng)該有效。

經(jīng)改進(jìn)的軟件在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了30小時(shí)通訊強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)中20ms完成一輪收發(fā)，報(bào)文長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)，在約1.08×108字節(jié)的接收通信中，未發(fā)現(xiàn)一個(gè)字節(jié)的通信錯(cuò)誤。此后在產(chǎn)品8個(gè)月的調(diào)試與外場(chǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，除了有一次因通信接口芯片損壞以及一次不明原因的通信出錯(cuò)以外，沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)檐浖a(chǎn)生的通信故障，證實(shí)了接收通信的可靠性。

6.結(jié)論

本文在GPIO模擬通用RS485/422串口通信的研究中，采用分層處理技術(shù)、優(yōu)化bit檢測(cè)方法、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)了全雙工通訊，具有邏輯清晰、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高和易于改進(jìn)、維護(hù)和移植的優(yōu)點(diǎn);但也存在一定的局限性，如軟件不宜采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，全雙工通信是以定時(shí)器為中心進(jìn)行統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)的，并不是真正獨(dú)立意義上的全雙工，其波特率受工作頻率的限制較大。