摘? 要： 介紹了RS-485通信模式的特點，針對局域網絡設計中出現的技術問題提出了一種新的基于RS-485總線的局域網絡設計方案。
關鍵詞： RS-485總線? 單片機? 局域網絡
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RS-485總線通信模式由于具有結構簡單、價格低廉、使用方便、通信距離和數據傳輸速率適當及可靠性較高等特點而被廣泛應用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、智能化大樓、監控報警、鐵路通信和電力數據采集等領域。
本文將對RS-485總線模式下組成的可擴展局域網絡作一探討。
1?RS-485總線通信的特點
RS-485是在RS-422的基礎上發展起來的，能實現一點對多點的通信，也能實現多點雙向通信，但同一時刻只能有一個發送器，其余的為接收器，即一主多從的通信方式。目前市場上可供選擇的RS-485總線芯片很多，其中包括可支持128個節點的MAX1487和支持400個節點的SP485R。利用該類芯片可直接組成簡單的通信網絡。
RS-485收發器采用平衡發送、差分接收的方式，即在發送端將TTL信號轉換成差分信號輸出，在接收端，接收器將差分信號轉換成TTL信號。因此具有較高的共模抑制能力。同時接收器具有較高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，數據傳輸可達1 200m。如降低數據傳輸速率，則通信距離可更長。當通信速率為1 200bps時，理論上通信距離可達15km。當傳輸距離超過300m時，在網絡的二端需接入120Ω的匹配電阻，以減少因阻抗不匹配而引起的反射，吸收噪聲，從而有效抑制噪聲干擾。MAX1487的接口電路示意圖如圖1所示。
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2?網絡結構及實施方案
在實際應用中，RS-485總線芯片本身所擁有的節點數已不能滿足需求，而往往需要一個接點龐大的復雜局域網絡(如幾千甚至幾萬個節點)來完成。連接在該網絡中的各類設備能相互通信，并且可以在一定節點數范圍內根據實際需要任意擴展，并做到即插即用。管理人員通過隨身攜帶的筆記本電腦，接入網絡中的任一接點，可了解整個網絡的運行情況。結合用戶應用程序，管理人員還可獲得連接于該網絡上相關設備的運行數據。
針對以上要求，局域網絡必須由多片具有RS-485總線的芯片連接而成。本文討論節點數≤32768點的局域網絡，使用MAX1487作收發器。根據RS-485總線的特點，在任一時刻，整個網絡只允許有一個發送器，其余的必須處于接收狀態。而接入網絡中的設備隨時可能有多個設備同時傳輸數據的要求，如不進行協調，就會出現總線競爭現象，使總線電平紊亂，整個網絡無法工作。
將一片MAX1487所能連接的128個節點作為一個子網，整個局域網絡由若干個子網組成。所有節點不直接和用戶設備相連，而是通過一個節點模塊和設備連接。這是一種二端帶通信口的智能化模塊，內帶一個單片機系統，用于執行局域網絡通信協議，負責RS-485總線和設備間的通信，同時參與整個局域網絡的通信協調工作。模塊的一端為RS-485總線，用于連接網絡，另一端是RS-232總線(或TTL電平)與用戶設備、儀器儀表或智能傳感器連接。
子網中每個節點模塊都有自己的地址，用1個字節表示，即00H～7FH。而在整個局域網絡中，每個子網也有自己的子網地址，也用1個字節表示，即00H～FFH。這樣，在整個局域網絡中每個節點就有自己惟一的用2個字節的二進制數表示的地址，類似Internet中的IP地址，其地址格式如圖2所示。以00H子網05H節點為例，其中的“×”為無效位。
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規定每個子網中的地址為00H和7FH的2個節點為特殊節點。地址為00H的節點是該子網的管理者，協調子網中的通信，同時也是該子網的一個數據出入口，和上一個地址為7FH的節點連接。地址為7FH的節點為該子網的另一個數據出入口，負責和下一個子網中地址為00H的節點連接。這表示子網之間是由2個背靠背的節點模塊通過RS-232總線相連的。
這2個背靠背的節點模塊又是子網之間的中繼站。同時還規定00H子網的00H節點，即地址為“00000000·00000000”的節點為整個網絡的最高管理者。局域網絡宜采用拓撲結構，以提高網絡運行效率，而鏈式結構可增加網絡的通信距離。RS-485總線構成的局域網絡結構示意圖如圖3所示(以00H、01H 2個子網為例)。
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3?節點模塊的設計
該局域網絡的關鍵是節點模塊的設計。這也是本局域網絡的特色所在，其中軟件設計至關重要。節點模塊主要完成網絡的管理和通信。為了使模塊具有通用性，所有節點模塊具有相同的結構和軟件，只要按照網絡協議選擇好正確的地址，任一模塊都可相互替換。網絡中沒有專門的網絡服務器，任意一個節點模塊都具有服務器的功能。哪個節點模塊充當服務器是由其自身的地址決定的，因此節點模塊軟件應該具有自動識別地址的功能，以確定自己在網絡中的位置和角色。例如，當檢測到自身的地址是“00001010·×0000000”時，就知道自己是0AH子網中的00H節點，并且是該子網中的管理者；當檢測到自身地址是“00000000·×0000000”時，就知道自己是整個局域網絡的最高管理者。節點模塊地址可由用戶自行設定。
為了實現即插即用功能，最高管理者必須定時向整個網絡廣播，以便收集網絡的運行情況(如是否有新節點加入，是否有節點從網絡上退出等)并形成網絡狀態注冊表，根據實際情況實時刷新。任何節點都可以向最高管理者取得該注冊表，以便管理人員從任一節點上獲得網絡運行狀態。
網絡空閑時，最高管理者不斷地向整個網絡發出詢問，監視是否有數據通信要求。子網內部的數據通信由該子網的管理者(節點地址為00H)協調，只有跨子網傳輸數據時，最高管理者(子網地址為00H，節點地址也是00H)才會干預。節點模塊中有8KB的SRAM作為數據緩沖區，另外有2KB的E2PROM用于保存注冊表等信息。單片機的串行通信口既要完成RS-485總線的通信，又要完成由RS-232總線到設備的通信，所以必須有通信口切換功能。平時單片機的串行通信口總是與RS-485總線相連，只有當設備需要傳輸數據時才切換到RS-232總線，所以系統還必須有對設備通信請求的檢測功能。限于篇幅，軟件具體編程在此不作敘述。節點模塊的結構如圖4所示。
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4? 總? 結
理論上該局域網絡對節點的擴展沒有限制，但考慮到RS-485總線通信速度的限制，因此網絡規模不宜過大。由前面的結構分析可知，網絡的可靠性取決于子網。由于各子網間不會產生串擾，因此網絡的可靠性不會隨網絡的規模擴大而降低。這是一個通用的局域網絡，適合任何需要RS-485總線通信的場合，因此實用性非常強。
參考文獻
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