RS-485的多机通信方案探究

引言
在嵌入式系统中，多个孤立节点之间的通信越来越重要，尤其是物联网时代的到来，多节点间通信已经成为必不可少的功能。由此出现了许多通信手段，如RS-232、RS-485、CAN总线、ZigBee等，综合考虑性能和成本，RS-485通信无疑是性价比最高的通信方式。因此探究高效、实用的多机通信方案具有重大的意义。

1 系统框图
RS-485多机通信结构图如图1所示。若干个RS-485节点通过总线连接，由网关节点轮询访问索要数据，每个网关节点可以动态地配置IP地址，以便上位机可以通过以太网控制网关节点，从而获得每个RS-485终端节点的数据。图1中C节点为控制节点，具有RS-485通信功能，T节点为网关节点，除了RS-485功能外，还具有以太网功能，其作用就是将C节点的数据通过以太网功能传送给上位机。

2 硬件设计
本文采用新唐科技公司的Cortex-M054探究RS-485多机通信协议。Cortex-M054有两个UART，均可以配置成RS-485模式，此时Cortex-M054通过RTSX引脚自动控制RS-485通信方向。
RS-485通过差分传输，A和B两根信号线铰链在一起来抵消各自的干扰。当A、B信号的电压差大于200mV时，视为逻辑1；当B、A信号的电压差大于200 mV时，视为逻辑0。
RS-485硬件原理图如图2所示。整套RS-485电路独立供电，通过光电耦合器TLP781B+，与系统其他部件分开，以此来隔离干扰。和CAN总线相同，在机群的两端(第一个节点和最后一个节点)，必须加上匹配电阻，吸收反射信号，大小为75 Ω左右。中间节点则不需要如此，因此留出了R1的位置，当节点位于机群两端的时候，则焊接上R1，这种方式大大地增强了电路的灵活性。

考虑电路的安全性，添加了TVS管，从而达到抗雷击的效果。热敏电阻相当于自恢复的保险丝，当电流过大时，它的阻值会变大，起到保护电路的作用。

3 软件协议
3．1 协议格式
Modbus协议按功能可以划分为：地址码、功能码、数据码、CRC校验码。而在RTU方式下，采用CRC循环冗余校验，具体格式如图3所示。

Modbus协议长度根据用户需求自己设定，地址码标识终端地址，即和网关节点通信的从机地址。功能码则是主机告诉从机要执行什么功能。数据码长度由用户自己确定，最后根据前3个功能字段，生成两个字节的CRC校验码，用来验证前面的字段是否存在传输错误。
3．2 CRC生成算法
CRC算法分为静态和动态两种，静态的适合片内RAM非常有限的MCU，而动态的适合RAM空间相对比较宽裕的MCU。CRC校验码生成步骤如下：
①初始化寄存器内容为0xffff。
②提取第一个字节数据和寄存器内容相异或。
③检测最低有效位(LSB)，如果LSB为1，寄存器单独和预置值异或；如果LSB为0，则不进行任何操作，然后将结果向LSB方向移动，最高有效位以0填充。
④重复第③步8次，直到最后一位(第8位)完成。
⑤提取下一个8位字节，重复步骤③、④的操作，等待所有字段都执行完，最终寄存器中的值就是所求的CRC校验码。
上述步骤中，如果预置值在整个过程中不变，则为静态的CRC校验；在动态的CRC校验中，存在一个动态表，预置值每次都根据动态表变化，所以准确性更高，而动态表要开辟一个较大的空间来存储。所以，根据MCU的RAM大小决定使用动态校验还是静态校验。算法结束后，寄存器中存人的就是前N个字节的CRC校验码，运用该算法，不需要事先知道协议的整体长度，最后都同样生成两个字节长度的校验码，故可移植性好、通用性强。
3．3 自动地址识别模式通信
自动地址识别模式是RS-485经典模式，通过设置Cortex-M054的状态寄存器，可使UART工作在此模式下。节点在接收到地址字节时，判断地址字节数据是否与UA_ALT_CSR[ADDR_MATCH]值相匹配，如果匹配，表示网关节点要与此终端通信，故接收下面网关节点发送的所有数据字节。同时，地址字节和数据字节都会被存入UART的FIFO中，否则忽略所有字节，既不产生中断，也不存入FIFO，直到匹配。
串口通信中由起始位、数据位、奇偶校验位、停止位4部分组成。当奇偶校验位为0时，表示传输的是数据字节；当它为1时，表示传输的是地址字节。Cortex—M054的UA_ALT_CSR是一个32位的寄存器，其ADDR_MATCH用8位来表示，故自动地址识别模式最大从机数只支持256个节点。它的优点是：由于RS-485所有从机挂载在一根总线上，故网关节点发送数据时，只有地址与自己匹配的节点才会响应，其他节点可以正常执行自己原先的任务而不被打扰，系统整体效率高。缺点是从机只能被主机轮询时才能发送信息，不能主动和主机通信；一个总线上只能挂载256个节点。
3．4 普通模式通信
普通模式可以配置为接收所有数据，也可以选择性地忽略数据，直到接收到地址字节。为了更加灵活地利用协议通信，将其设置为接收所有数据，即只要网关节点向总线发送数据，那么总线上的所有节点都会收到数据，再根据协议解析内容执行相应的动作，接地流程图如图4所示。