发射控制系统RS—485网络可靠性及低功耗设计研究
【摘要】RS-485网络以其优良的特性和低廉的价格在诸多领域得到广泛应用。本文对发射控制系统中RS-485网络的可靠性和低功耗设计进行了理论分析，分别针对不同应用情况提出了提高网络可靠性、降低系统功耗的方法，具有一定实际应用价值。
【关键词】RS-485；可靠性；低功耗
1.引言
RS-485网络已经广泛的用于工业控制，仪器仪表，机电一体化产品[1]以及发射控制系统等武器装备领域。RS-485网络采用平衡驱动及差分接收方式来驱动总线，实现网络的物理层连接。具有抗干扰能力强、结构简单、价格低廉、通讯距离远等优点[2]。
但RS-485网络如果在抗干扰、自适应、功耗设计等方面处理不当，常会导致系统功耗增加甚至系统瘫痪等故障。如何提高可靠性并降低功耗越来越得到人们的关注。本文从提高发射控制系统RS-485网络可靠性和降低功耗两个方面进行分析，并提出了相应的合理解决办法。
2.RS-485网络可靠性设计
2.1 传输线阻抗匹配
在RS-485网络通信过程中，阻抗不连续和阻抗不匹配都可能会导致信号反射，反射的信号会触发接收器输入端的比较器，使接收器产生错误的信号，降低通信可靠性。
2.2 失效保护
RS-485接口采用差分方式传输信号[3]，RS-485标准规定接收器的输入门限为±200mV，即差分输入端A电平比B电平高+200mV，输出为逻辑“1”，反之，则输出为逻辑“0”，这样能够提供比较高的噪声抑制能力。在总线空闲、开路或短路的情况下，会将总线置于第三态，使得A和B之间的电压差在-200mV～+200mV之间甚至趋近于0V，导致接收器输出状态不确定，既可能输出逻辑“1”，也可能输出逻辑”0”。为了避免上述情况，必须采取一定措施提供网络失效保护功能。
增加失效保护电阻仅对总线开路时有效，并不能解决总线短路时可能出现的问题。在实际应用中采用包含内置失效保护电路的低功耗收发器，如MAXIM公司的MAX3080、MAX3471系列产品可以同时解决总线开路和短路时的失效保护问题，而且省去了外部失效保护电阻，也有利于降低系统功耗。
什么是RS485通信接口 通信概述 通信设备从早期的邮件，电报，电话，传真，传呼机，手机，电脑，一路发展下来，而且随着科技的发展，世界必将由一个网络组成，所以，在未来开发的设备中，也必然要求大部分的设备都带有通信的功能。 设备与设备之间互相通信，就要有一座桥梁把二者连接起来，那就是传输通路与通信协议。传输通路由传输介质与传输接口组成，传输介质可分为有线和无线传输介质两大类。 有线传输介质在数据传输中只作为传输介质，而非信号载体。计算机网络中流行使用的有线传输介质为：铜线和玻璃纤维。 铜线具有便宜，安装容易的特点，在现在工业应用中普遍应用，在应用中主要有两种基本的铜线类型：双绞线和同轴电缆。双绞线可减小流过电流所辐射的能量，也可防止来自其他通信线路上信号的干扰，对于一些要求比较高的项目上，还需要给双绞线加上屏蔽层；同轴电缆由一对同轴导线组成。同轴电缆频带宽，损耗小，具有比双绞线更强的抗干扰能力和更好的传输性能。按阻抗值不同，同轴电缆可分为基带和宽带两种，同轴电缆是目前局域网与有线电视网中普遍采用的比较理想的传输介质。 所谓玻璃纤维介质，就是指现在所流行的光纤传输，他的两边有一个激光发生器与一个激光接收器，组成一整套通信线路，由于光纤传输距离远，因此现很多在工程都是采用“光端机＋光纤”的模式。 结合我在工程中经常应用的通信模式，与“南方的老树51CPLD开发板”上具有的RS232通信、RS485通信两种，详细讲解下这两种通信方式的应用。 什么是RS232接口 首先介绍下什么是RS232接口，什么是RS485接口。
RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。 元器件常识：市场上把公头的接插件叫做DRXX，母头的叫DBXX，比如我们电脑上的串口，在市场上叫做DR9，不是DB9，很多人都误叫做DB9，实际上的DB9是两个把两个DR9互相连接在一起的接口。 在文章中，我把所有的串口设备接口都统一叫做RS232接口。 三、什么是RS485接口 由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。 （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。 针对RS232接口的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：
RS232/RS485接口温度计串口温度计 一、产品简介： 采用数字传感器作为敏感元件，先进的单片机整机控制，精度高、稳定性好。轻巧、紧凑、精美的设计构造。广泛应用于温度监测与调节，工业环境控制，粮食仓储、烟草企业、医药、图书馆、微机房、通讯基站及实验室等需要环境温度监控的场所。提供简易通讯协议或标准MODBUS协议，便于二次开发，特别适合OEM配套。 二、型号：FY-W01 三、技术参数： 接口方式RS232 、RS485 分辨率0.1℃ 精度±0.2℃ 工作温度-40~+80℃ 有效测量范围-55.0~+125.0℃ 通讯协议提供 监测软件提供 数据采集器尺寸60(长)×35(宽)×25(高)mm 探头规格Φ6 50/60mm长 传感器电缆长度标配3米，可选最长10米 通讯电缆长度DB9孔式接口或5线，标配2米4线，标配2米 供电USB接口供电，供电电压5V--5.5V 供电电压5V--12V 四、简易版通讯协议：(标准MODBUS协议可来电询取) 通讯参数为:：波特率固定9600bps，8位数据，1位停止位，无校验。（9600,N,8,1） ①PC->温度计类型地址询问 温度计->PC 类型地址应答 ②PC->温度计类型地址上传数据 温度计->PC 类型地址温度符号温度整数温度小数以上数据均为单字节 类型：温度计A8H 地址：固定地址（01H） 命令：询问CCH 应答33H 上传数据AAH 数据：BCD码格式，温度符号正00H 负80H 例23.4℃上传数据00H 23H 04H 应答周期500ms 即500ms无应答为通讯故障等错误 ============================================================= ============ 例：温度计地址01H ①询问与应答 PC->温度计A8H 01H CCH 温度计->PC A8H 01H 33H ②上传数据
如何进行低功耗设计 现在电子产品，特别是最近两年很火爆的穿戴产品，智能手表等都是锂电池供电，如果采用同样容量大小的锂电池进行测试不难发现电子产品低功耗做的好的，工作时间越长。因此，低功耗设计排在电子产品设计的重要地位。 最近做穿戴产品设计，面临的第一个问题就是低功耗设计。经过这两天的认真分析总结，将低功耗设计的方法总结，以飨网友。 首先，要明白一点就是功耗分为工作时功耗和待机时功耗，工作时功耗分为全部功能开启的功耗和部分功能开启的功耗。这在很大程度上影响着产品的功耗设计。 对于一个电子产品，总功耗为该产品正常工作时的电压与电流的乘积，这就是低功耗设计的需要注意事项之一。 为了降低产品的功耗，在电子产品开发时尽量采用低电压低功耗的产品。比如一个产品，曾经用5v单片机正常工作，后来又了3.3v的单片机或者工作电压更低的，那么就是在第一层次中进行了低功耗设计，这也就是我们常说的研发前期低功耗器件选择。这一般需要有广阔的芯片涉猎范围或者与供应商有良好的沟通。 其次是模块工作的选择控制，一般选择具有休眠功能的芯片。比如在设计一个系统中，如果某些外部模块在工作中是不经常使用的，我们可以使其进入休眠模式或者在硬件电路设计中采用数字开关来控制器工作与否，当需要使用模块时将其唤醒，这样我们可以在整个系统进入低功耗模式时，关闭一些不必要的器件，以起到省电的作用，延长了待机时间。一般常用方法：①具有休眠模式的功能芯片②MOS管做电子开关③具有使能端的LDO芯片。 再次，选择具有省电模式的主控芯片。现在的主控芯片一般都具有省电模式，通过以往的经验可以知道，当主控芯片在省电模式条件下，其工作电流往往是正常工作电流的几分之一，这样可以大大增强消费类产品电池的使用时间。同时，现在一些控制芯片具有双时钟的模式，通过软件的配置使芯片在不同的使用场合使用不同的外部始终从而降低其功耗。这与始终分频器具有异曲同工之妙，不同之处想必就是BOM的价格问题。现在火爆的APPLE WATCH 就是低功耗的一个例子：全功能运行3-4小时，持续运行18小时。 主控芯片或者相关模块唤醒的方式选择。通常进过以上的步骤设计好了硬件结构，在系统需要省电，在什么时候进入省电模式，这一般在软件设计中实现，但是最主要还是需要根据产品的功能特性来决定了。当系统进入了省电模式，而系统的唤醒也需要控制。一般系统的唤醒分为自动唤醒和外部唤醒。 A、自动唤醒是使用芯片内部的定时器来计时睡眠时间，当睡眠时间达到预定时间时，自动进行唤醒。这与我们使用的看门狗或者中断有比较相近之处，不同就是其工作与否的时序。 B、外部唤醒就是芯片一直处于一种休眠状态，当有一个外部事件(主要是通过接口)来对芯片进行一个触发，则芯片会唤醒，在事件处理之后消除该触发事件而在此进入休眠状态。因此，根据系统的特性，就需要进行软件设计时，来决定如何使用睡眠及唤醒，以降低系统的功耗。 最后说说功耗的测试，功耗测试分为模块功耗和整机功耗，模块功耗需要测试休眠时功耗和工作时功耗。整机功耗分为最大负荷工作时功耗和基本功能时功耗和休眠时功耗。在前期的测试中我用直接用UI来进行测量，关于如何进行高精度低功耗产品的测量，在下篇中进一步说明。
RS485总线标准是工业中（考勤，监控，数据采集系统）使用非常广泛的双向、平衡传输标准接口，支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络；最大传输距离1200m，支持1200 m时为100kb/s的高速度传输，抗干扰能力很强，布线仅有两根线很简单。 RS485通信网络接口是一种总线式的结构，上位机（以个人电脑为例）和下位机（以51系列单片机为例）都挂在通信总线上，RS485物理层的通信协议由RS485标准和51单片机的多机通讯方式。由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。 下面介绍以下rs485通讯接口定义的标准 1.英式标识为TDA(-) 、TDB(+) 、RDA(-) 、RDB(+) 、GND 2.美式标识为Y 、Z 、A 、B 、GND 3.中式标识为TXD(+)/A 、TXD(-)/B 、RXD(-) 、RXD(+)、GND rs485两线一般定义为: "A, B"或"Date+,Date-" 即常说的：”485＋，485－” rs485四线一般定义为： "Y,Z,A, B," 一般rs485协议的接头没有固定的标准，可能根据厂家的不同引脚顺序和管脚功能可能不尽相同，但是官方一般都会提供产品说明书，用户可以查阅相关 rs485管脚图定义或者引脚图 上图中rs232转rs485电路中hin232（max232可以起到同样的作用但是要贵一点）起到转
换pc端rs232接口电平的作用，然后把信号由max485这个芯片转换成485电平由AB两根线输出，如果接上双绞线信号rs485总线接口的信号的通信距离至少是1千米远。
485通讯常见问题 1.MAX488/MAX490在点对点通信中工作很正常，为何在点对多点通信时无法正常通信？ 由于MAX488/MAX490没有发送使能控制，因而其输出无法处于高阻态，当多个输出被连接在一起时(即点对多点通信时)，差分输出信号线被多个发送器驱动(通常为TXD=1对应的电平状态)；当某个节点开始通信，且发送TXD=0对应的差分电平时，A，B两线上将形成很大的短路电流，若长时间工作，则接口芯片将损坏；而这种情况不会在点对点通信中发生，且不会出现在点对多点通信中的处于点的一方，这也是象MAX488/MAX490以及其它一些没有发送使能控制的接口的适用范围。以上是造成这个问题的原因，当然，类似情况也会出现在那些带使能控制而软件没有编程控制使能的接口芯片中。 2.RS-485/RS-422接口为何在停止通信时接收器仍有数据输出？ 由于RS-485/RS-422在发送数据完成后，要求所有的发送使能控制信号关闭且保持接收使能有效，此时，总线驱动器进入高阻状态且接收器能够监测总线上是否有新的通信数据。但是由于此时总线处于无源驱动状态(若总线有终端匹配电阻时，A和B线的差分电平为0，接收器的输出不确定，且对AB线上的差分信号的变化很敏感；若无终端匹配，则总线处于高阻态，接收器的输出不确定)，容易受到外界的噪声干扰。当噪声电压超过输入信号门限时(典型值±200mV)，接收器将输出数据，导致对应的UART接收无效的数据，使紧接着的正常通讯出错；另外一种情况可能发生在打开/关闭发送使能控制的瞬间，使接收器输出信号，也会导致UART错误地接收。 解决方法： 1)在通讯总线上采用同相输入端上拉(A线)、反相输入端下拉(B线)的方法对总线进行钳位，保证接收器输出为固定的“1”电平； 2)采用内置防故障模式的MAX308x系列的接口产品替换该接口电路； 3)通过软件方式消除，即在通信数据包内增加2-5个起始同步字节，只有在满足同步头后才开始真正的数据通讯。 3.采用RS-485/RS422接口通讯时，在什么条件下需要采用终端匹配？电阻值如何确定？如何配置终端匹配电阻？
https://www.doczj.com/doc/3813477658.html,/inform ation/snug/2009/low-power-impleme ntation-flow-based-ieee1801-upf 基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程 Low-power Implementation Flow Based IEEE1801 (UPF) 郭军, 廖水清, 张剑景 华为通信技术有限公司 jguo@https://www.doczj.com/doc/3813477658.html, liaoshuiqing@https://www.doczj.com/doc/3813477658.html, zhangjianjing@https://www.doczj.com/doc/3813477658.html, Abstract Power consumption is becoming an increasingly important aspect of ASIC design. There are several different approaches that can be used to reduce power. However, it is important to use these low-power technology more effectively in IC design implementation and verification flow. In our latest low-power chip, we completed full implementation and verification flow from RTL to GDSII successfully and effectively by adopting IEEE1801 Unified Power Format (UPF). This paper will focus on UPF application in design implementation with Synopsys low power solution. It will highlight that how to describe our low-power intent using UPF and how to complete the design flow. This paper first illustrates current low-power methodology and UPF?s concept. Then, it discussed UPF application in detail. Finally, it gives our conclusion. Key words: IEEE1801, UPF, Low-Power, Shut-Down, Power Gating, Isolation, IC-Compiler 摘要
RS-485通信网络功能 一 RS485接口 RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。 在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：(1)共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。 二RS485布网 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：（1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。（2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。在RS485组网过程中另一个需要注意的
RS485通信原理 1. RS-485的电气特点：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口旌旗灯号电平比RS-232-C 降低了，就不易破坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可便利与TTL 电路连接。 2. RS-485的数据最高传输速度为10Mbps 。 3. RS-485接口是采取均衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干才能加强，即抗噪声干扰性好。 4. RS-485接口的最大年夜传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，别的RS-232-C接口在总线上只许可连接1个收发器，即单站才能。而RS-485接口在总线上是许可连接多达128个收发器。即具有多站才能,如许用户可以应用单一的RS-485接口便利地建立起设备收集。 因RS-485接口具有优胜的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站才能等上述长处就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口构成的半双工收集一般只需二根连线，所以RS485接口均采取樊篱双绞线传输。 RS485接口连接器采取DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采取DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采取DB-9（针）。 RS485编程 串口协定只是定义了传输的电压，阻抗等，编程方法和通俗的串口编程一样RS-232与RS-422之间转换道理和接法 平日我们对于视频办事器、录像机、切换台等直接播出、切换控制重要应用串口进行，重要应用到RS-232、RS-422与RS-485三种接口控制。下面就串口的接口标准以及应用和外部插件和电缆进行商量。 RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特点做出规定，而不涉及接插件、电缆或协定，在此基本上用户可以建立本身的高层通信协定。例如：视频办事器都带有多个RS422串行通信接口，每个接口均可经由过程RS422通信线由外部计算机控制实现记录与播放。视频办事器除供给各类控制硬件接口外，还供给协定接口，如RS422接口除支撑RS422的Profile协定外，还支撑 Louth、Odetics 、BVW等经由过程RS422控制的协定。 RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，都是由电子工业协会（EIA）制订并宣布的，RS-232在1962年宣布。RS-422由RS-232成长而来，为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，RS- 422定义了一种均衡通信接口，将传输速度进步到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速度低于100Kbps时），并许可在一条均衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、均衡传输规范，被定名为TIA/EIA-422-A标准。为扩大应用范围，EIA又于 1983年在RS-422基本上制订了RS-485标准，增长了多点、双向通信才能，即允很多个发送器连接到同一条总线上，同时增长了发送器的驱动才能和冲突保护特点，扩大了总线共榜样围，后定名为TIA/EIA-485-A标准。 1. S-232串行接口标准 今朝RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速度串行通信中增长通信距离的单端标准。RS-232采取不均衡传输方法，即所谓单端通信。收、发端的数据旌旗灯号是相对于旌旗灯号地。典范的RS-232旌旗灯号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出
RS-485总线标准及几种常见的RS-485接口电路介绍 本文主要简单介绍RS-485总线标准，以及比较几种常见的RS-485电路，并重点介绍美国模拟器公司（ADI）最新量产的具备±15 kV ESD保护功能的完全集成式隔离数据收发器 ADM2582E/ADM2587E，一个集成隔离DC/DC电源，适合用于多点传输线路上的高速通信应用的数据收发器。 1.引言 随着现代化社会生活的迅速发展，工业自动化的程度越来越高。在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。但是，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用RS-232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；另外，RS-232通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15 米。为了解决上述问题，RS-485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。 RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。因为RS-485的远距离、多节点（256个）以及传输线成本低的特性，是EIA RS-485称为工业应用中数据传输的首选标准。ADI公司的ADM2582E/ADM2587E器件针对均衡的传输线路而设计，符合ANSI/TIA/EIA RS-485-A-98和ISO 8482:1987(E)标准。它采用ADI公司的iCoupler?技术，在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收机和一个isoPower DC/DC转换器。该器件采用5V或3.3V单电源供电，从而实现了完全隔离的RS-485解决方案。 2．RS-485 标准介绍 电子工业协会（EIA）于1983 年制订并发布RS-485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯地称之为RS-485标准。RS-485标准是为弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。RS-485标准数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode），也称作平衡传输，RS-485标准的最大传输距离约为1219 米。通常，RS-485网络采用平衡双绞线作为传输媒体，平衡双绞线的长度与传输速率成反比。在这里尤为注意并不是所有的RS-485收发器都能够支持高达10Mbps的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。 3．几种典型的RS485电路设计 (1)、传统的RS485电路
一、RS485串口通信电路图 二.VxWorks中基于RS485总线的串口通信协议及实现 摘要：本文介绍了在嵌入式实时操作系统Vxworks下串行设备的驱动架构及实现，提出了一种基于RS-485总线的新型串口通信协议，重点讨论了基于这种协议的应用程序的设计方法，发送时主要采用了总线仲裁机制，接收时主要采用了字符合法性校验、长度校验、内容的CRC校验，提高了系统的通信效率和稳定性。 关键词：VxWorks；RS-485；通信协议；总线仲裁；CRC校验 1 引言 随着信息技术和互联网的飞速发展，以及计算机、通讯、数码产品等领域的高速增长，数字化时代已经来临。嵌入式设备是数字化时代的主流产品，嵌入式软件是数字化产品的核心，作为嵌入式软件的基础和关键，嵌入式操作系统在产业发展过程中扮演着越来越重要的角色，应用遍及工业自动化、网络通信、航空航天、医疗仪器等领域。 2 RS-485总线 RS-485总线接口是一种常用的串口，具有网络连接方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测到低达200mv的电压，可靠通信的传输距离可达数千米。使用RS-485总线组网，只需一对双绞线就可实现多系统联网构成分布式系统、设备简单、价格低廉、通信距离长。
3 VxWorks中串口驱动的实现 VxWorks 操作系统是美国Wind River公司设计开发的嵌入式实时操作系统(RTOS)，是嵌入式开发环境的关键组成部分。Vxworks 操作系统的I/O 系统可以提供简单、统一、与任何设备无关的接口。这些设备包括：面向字符设备、随机块存储设备、虚拟设备、控制和监视设备以及网络设备。Vxworks 的I/O 系统包括基本I/O 系统和缓冲I/O 系统，具有比其他I/O 系统更快速，兼容性更好的特性。这对于实时系统是很重要的。 3.1 串口驱动架构 基于vxWorks的串口设备驱动程序架构，对vxWorks的 虚拟设备ttyDrv进行封装，向上将TTY设备安装到标 准的I/O系统中，上层应用通过标准的I/O 接口完成 对硬件设备的操作，向下提供对实际硬件设备的底层设 备驱动程序。其软件架构如图1所示。 由图1可知，串口设备驱动由两部分组成，一部分为对 ttyDrv进行封装，将串行设备安装到标准的I/O系统 中，提供对外的接口；另一部分为串行设备驱动程序， 提供对硬件设备的基本操作。 虚拟设备ttyDrv管理着I/O系统和真实驱动程序之间 的通信。在I/O系统方面，虚拟设备ttyDrv作为一个 字符型设备存在，它将自身的入口点函数挂在I/O系统 上，创建设备描述符并将其加入到设备列表中。当用户有I/O请求包到达I/O 系统中时，I/O系统会调用ttyDrv相应的函数响应请求。同时，ttyDrv管理了缓冲区的互斥和任务的同步操作。另一方面，ttyDrv负责与实际的设备驱动程序交换信息。通过设备驱动程序提供的回调函数及必要的数据结构，ttyDrv将系统的I/O请求作相应的处理后，传递给设备驱动程序，由设备驱动程序完成实际的I/O操作。 3.2 驱动初始化 串口设备的初始化xxDevInit流程如图2。 设备驱动的初始化过程首先调用系统函数ttyDrv()，该 函数通过调用iosDrvInstall()将ttyOpen()、 ttyIoctl()、tyRead()、tyRead、tyWrite安装到系统 驱动函数表中，供I/O系统调用。 接着根据用户入参对串口芯片寄存器进行初始化，安装 驱动函数指针。 最后调用系统函数ttyDevCreate()创建ttyDrv设备。
串行数据通信的协议从RS-232到千兆位以太网，虽然每种协议都有特定的应用领域，但任何情况下我们都必须考虑成本和物理层(PHY)性能。 本文主要介绍RS-485协议及该协议所适合的应用。同时给出了根据电缆长度、系统设计以及元件选择来优化数据速率的方法。 传输协议 什么是RS-485？Profibus又是什么？与其它串行协议相比，它们的性能如何？适用于哪些应用？为了回答这些问题，我们对RS-485 物理层(PHY)、RS-232和RS-422的特性、功能进行了总体比较[1](本文中的RS表示ANSIEIA/TIA标准)。 RS-232是一个最初用于调制解调器、打印机及其它PC外设的通讯标准，提供单端20kbps的波特率，后来速率提高至1Mbps。RS-232的其它技术指标包括：标称±5V发送电平、±3V接收电平(间隔/符号)、2V共模抑制、2200pF最大电缆负载电容、300最大驱动器输出电阻、3k最小接收器(负载)阻抗、100英尺(典型值)最大电缆长度。RS-232只用于点对点通信系统，不能用于多点通信系统，所有RS-232系统都必须遵从这些限制。 RS-422是单向、全双工通信协议，适合嘈杂的工业环境。RS-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号采用差分传输方式，速率最高可达50Mbps。接收器共模范围为±7V，驱动器输出电阻最大值为100，接收器输入阻抗可低至4k。 RS-485标准 RS-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。 接收器输入灵敏度为±200mV，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200mV或低于-200mV。最小接收器输入阻抗为12k,驱动器输出电压为±1.5V(最小值)、±5V(最大值)。 驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。RS-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。 采用典型的24AWG双绞线时，驱动器负载阻抗的最大值为54，即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。RS-485已经成为POS、工业以及电信应用中的最佳选择。较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境(如工厂车间)下的数据传输。更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。
三、低功耗技术 1. 功耗分析 （1）由于电容的充放电引起的动态功耗 V DD C l i VDD v out 图（20）充放电转换图 如图（20）所示：PMOS 管向电容L C 充电时，电容的电压从0上升到DD V ,而这些能量来 自于电源。一部分能量消耗在PMOS 管上，而剩余的则保存在电容里。从高电压向低转换的过程中，电容放电，电容中储存的能量消耗在NMOS 管上。 我们来推导一下：考虑从低电压转换到高电压的情况，NMOS 和PMOS 不同时导通。在转换过程中电源提供的能量为C E ,而是转换后储存在电容里的能量。 ???====∞∞VDD DD L out DD L out L DD VDD VDD V C dv V C dt dt dv C V dt t i E 0 002)( ???====∞∞VDD DD L out out L out out L out VDD C V C dv v C dt v dt dv C dt v t i E 02002 )( 这两个等式说明电源提供的能量只有一半储存在电容里。另一半被PMOS 管消耗掉了。 为了计算总体能量消耗，我们不得不考虑器件的翻转。如果门每秒钟翻转10?→? f 次，那么 102 ?→?=f V C P DD L dyn 10?→?f 表示能量消耗的翻转频率。 随着数字电路集成度的提高，能量问题将成为人们关注的焦点。从以上分析看出，dyn P 跟电源电压的平方成正比，因此降低供电电压对降低功耗有非常显著的意义。 但是，降低供电电压对电路性能有一定的影响，这时我们可以考虑减小有效电容和减少翻转率。电容主要是由于晶体管的门和扩散电容引起的，因此降低由于电容的充放电引起的动态功耗方法之一是将晶体管设计得尽可能小，这种方法同样对提高电路的性能有很大的帮助。
单片机上的RS485接口 RS-232虽然应用很广泛，但因为它推出较早，在现代网络通信中已经暴露出明显的缺点。比如以下几点： 1）数据传输速率慢。RS-232所规定的20KB/s的传输速率虽然能满足异步通信要求，通常异步通信速率限制在19.2KB/s以下对某些同步系统来说，不能满足传送速率 要求。 2）传送距离短。RS-232接口一般装置之间电缆长度为15m，即使有较好的线路器件优良的信号质量，电缆长度也不会超过60m。 3）没有规定标准的连接器，因而出现了互不兼容的25芯连接器。 4）接口处各信号间容易产生串扰。 RS-485接口的出现就弥补了RS-232的不足，而出现了一种新的接口标准，并且由于良好的性能，RS-485获得了广泛的应用，其具有以下特点： 1）RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示?逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口 电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。 2）RS-485的数据最高传输速率为10MB/s。 3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达1000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允 许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485 接口方便地建立起设备网络。 RS-485收发器SN65HVD3082的使用方法 1）SN65HVD3082简介 此芯片是半双工RS-485收发器。5V供电，全完符合TIA/EIA-485A标准。它可以应用于传输速率低于200kbps的场合，并且工作电流低于0.6mA。 芯片的宽适用范围与高ESD保护使它可以满足诸如能量测量网络、电力转换、远程通信中的状态与命令传输和工业自动化网络等场合的要求。另外，片内集成上
典型的串行通讯标准是RS232和RS485，它们定义了电压,阻抗等，但不对软件协议给予定义，区别于RS232, RS485的特性包括： 1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。 3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C 接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。 RS485编程 串口协议只是定义了传输的电压，阻抗等，编程方式和普通的串口编程一样 RS-232与RS-422之间转换原理和接法 通常我们对于视频服务器、录像机、切换台等直接播出、切换控制主要使用串口进行，主要使用到RS-232、RS-422与RS-485三种接口控制。下面就串口的接口标准以及使用和外部插件和电缆进行探讨。 RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。例如：视频服务器都带有多个RS422串行通讯接口，每个接口均可通过RS422通讯线由外部计算机控制实现记录与播放。视频服务器除提供各种控制硬件接口外，还提供协议接口，如RS422接口除支持RS422的Profile 协议外，还支持 Louth、Odetics 、BVW等通过RS422控制的协议。 RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布。RS-422由RS-232发展而来，为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS- 422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100Kbps时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于 1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。 1. S-232串行接口标准 目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5~+15V，负电平在-5~-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20Kbps。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3kΩ~7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。 TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，
附录：RS485串行通讯协议 1 主要性能 本变频器通过内置的RS485标准接口，能与个人计算机、PLC 或同系列的变频器等连接，进行主从式、异步半双工串行通信。其主要性能参见下表： 项目 规范 适用机型 ALPHA3000系列变频器 物理级 EIA RS485 传输线 屏蔽双绞线 配线最长长度 500米 连接台数 主机一台，从机31台 传输速度 19200bps,9600bps,4800bps,2400bps,1200bps,600bps,300bps 数据交换方式 异步串行、半双工 传送协议 点对点或广播 字长 11位 停止位长度 1位 帧长 14字节固定 奇偶校验 奇校验 出错检查方式 异或校验 2硬件连接 2.1硬件联接如下图： 图 1 多 台变 频器 用主 机控 制连 接示 意图 图中的MASTER （主机）是ALPHA3000变频器、PC 机或可编程控制器（PLC ），图中的SLAVE （从机，在虚线框内）是变频器。变频器做为主机，只要将从机的RS485端子和主机的RS485同名端子相联接即可；如果用PC 机或PLC 做为主机，则要在主机和总线之间增加一个RS485的转接器。RS458串行总线接口最多可连接31台变频器做从机，每一个从机变频器都有一个唯一的号码（ID ），主机依靠ID 来识别每一台从机。
2.2 RS485转换器 RS485转换器采用DB9/DB9外形，带孔的 一端为RS232，带针的一端为RS485。转换器 外带接线转换头把RS485端的DB9接线转换为 螺丝接线柱，便于通讯线缆的安装和拆卸。接 线转换头上“A+”为485收/发正端,“ B-” 为485收/发负端,“GND”为485地线。 RS485接口组成半双工网络，一般只需二根连线，为获得良好的抗噪声干扰性和较长的传输距离，建议采用屏蔽双绞线传输。 3通讯协议 3.1概述 3.1.1通讯方式 采用USS协议。主机和从机之间用轮询的方式来进行通讯。由主机启动每一次通信，主机向从机变频器发送任务报文，从机接到主机的任务命令后返回响应报文并执行相应动作。除了发送响应报文外，从机只能处于接收状态。主机为变频器时，由功能号D033设置最大从机ID号。从机必须是从1开始，连续编号到D033设定的值。当主机为PC机或PLC时可以通过建立轮询表来改变查询顺序和查询周期，轮询表可以只包含部分从机，任意顺序，可以出现重复的号码。 主机的每一次查询都是以一个报文（帧）的数据传送给从机，所有的从机都能接收数据，从机如果检测到报文中的ID和本机的ID相同，则对报文的数据做出处理，并在规定的时间内发送响应报文给主机。如果检测到报文中的ID和本机的ID不同，则不处理报文，保持原工作状态。 3.1.2 控制方式说明： 在本机键盘或者端子控制时（功能A001设为0、1、2），通讯只能查看参数，所有的写入操作都被忽略。 通讯控制不能修改功能A001、A005、C001、D028、D032、D033的值。 在通讯控制方式时，本机键盘只可以修改功能A001、A005、C001、D022、D028、D032、D033的值，其中，对于功能D028的修改只有重新上电 开机才能生效。其它功能参数只能查看。 在通讯控制方式时，本机端子的使用参考特殊命令G05说明。 3.2数据格式 3.2.1报文格式
RS485接线错误常识 通讯距离：最远的设备到计算机的连线理论上的距离是1200米，建议客户控制在800米以内，能控制在300米以内效果最好。如果距离超长，可以选购rs485中继器（485延长器）。使用中继器理论上可以延长到3000米。 每台485设备必须手牵手地串下去，不可以有星型连接或者分叉。如果有星型连接或者分叉，干扰将非常大，通讯不畅，甚至通讯不上。 1、485信号线可以和强电电源线一同走线。在实际施工当中，由于走线都是通过管线走的，施工方有的时候为了图方便，直接将485信号线和电源线绑在一起，由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰，从而导致485信号不稳定，导致通信不稳定。 2、485信号线可以使用平行线作为布线，也可以使用非屏蔽线作为布线。由于485信号是利用差模传输的，即由485+与485-的电压差来作为信号传输。如果外部有一个干扰源对其进行干扰，使用双绞线进行485信号传输的时候，由于其双绞，干扰对于485+，485-的干扰效果都是一样的，那电压差依然是不变的，对于485信号的干扰缩到了最小。同样的道理，如果有屏蔽线起到屏蔽作用的话，外部干扰源对于其的干扰影响也可以尽可能的缩小。 4、485布线可以任意布设成星型接线与树形接线。485布线规范是必须要手牵手的布线，一旦没有借助485集线器和485中继器直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。很多施工方在485布线过程中，使用了星型接线和树形接线，有的时候整个系统非常稳定，但是有的时候则总是出现问题，又很难查找原因，一般都是由于不规范布线所引起的。如果由于现场的限制，必须要进行星型连接或者树形连接，可以使用深圳市宇泰科技有限公司的485集线器和485中继器解决相关问题。 5、485总线必须要接地。在很多技术文档中，都提到485总线必须要接地，但是没有详细的提出如何接地。严格的说，485总线必须要单点可靠接地。单点就是整个485总线上只能是有一个点接地，不能多点接地，因为将其接地是因为要将地线（一般都是屏蔽线作地线）上的电压保持一致，防止共模干扰，如果多点接地适得其反。可靠接地时整个485线路的地线必须要有良好的接触，从而保证电压一致，因为在实际施工中，为了接线方便，将线剪成多段再连接，但是没有将屏蔽线作良好的连接，从而使得其地线分成了多段，电压不能保持一致，导致共模干扰。 在RS485（RS485转换器）组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作（即一般在300米以下不需终接电阻），但随着距离和负载数量的增加性能将降低。一般终端匹配采用终端电阻方法，RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终接电阻在RS-485网络中取120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。