rs485串口通信原理

RS485 串口通信原理 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。该函数初始化设备描述符，调用 tyDevInit()函数初始化 tyLib、初始化 select 功能、创建信号量和输入输出缓冲区，调用 iosDevAdd()函数将设备添加到设备列表中并将设备置为中断模 式。 驱动模块初始化成功后，应用程序就可以用标准的 I/O 函数 read()和 write()收发数据了。 4 RS-485 通信协议 4.1 485 通信帧格式 表 1 485 通信帧格式 目的地址 源地址 长度 控制 帧净荷数据 CRC 检验 1Byte 1Byte 1Byte 2Bytes 由长度字节确定，255Bytes 2Bytes 长度字段不包含控制字段、检验字段。校验字段使用 CCITT 的 CRC16 的校验方法，其生 成多项式为 。校验字段默认是加上的，只有在发送方的 CPU 负荷比较大时，并且能够保 证本帧出现的错误不会对系统产生潜在的和现实的影响，或者保 证影响在可以控制在一定范围内并且可以忍受时，才考虑取消校验字段。当接收方接收到 帧的总长度减去长度字段值与帧头的长度之和，得到的结果为 2 时，表明发送方附带了校 验和。 4.2 485 数据链路层帧 表 2 485 链路层帧格式 头标志（0x7E） 485 通信帧 尾标志（0x7E） 1Byte 最大不超过 485 通信帧的长度（不包括字节拆分的添加字符） 2Bytes 头标志是任意个数的连续的字符 0x7E，尾标志也是任意个数的连续的字符 0x7E。预定头 标志为 1Byte，尾标志为 2Bytes，在发送方的 CPU 认为发送完毕最后一个尾标志字符时， 保证第一个尾标志字符能够完全到达目的设备。发送方除头标 志或尾标志之外，不允许出现 0X7E，若遇到 0X7E，则拆分成 0X7D，0X5E；若出现 0X7D，则拆分成 0X7D，0X5D 传送。 5 串行通信应用程序设计 5.1 初始化配置 创建一个 51200Bytes 的接收环形缓冲区，用来存放剩余的或不成帧的数据：g_tRecvRingId = rngCreate(51200); 串口设备描述符为 “myCom”，打开串口并创建设备读写描述符： g_sdwChannelFD = open(“myCom”, O_RDWR, 0); 设置波特率：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOBAUDRATE, g_RS485LinkCBi.sdwBaudRate); 清空接收、发送缓存：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOFLUSH,0); 工作模式设置：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOSETOPTIONS, OPT_RAW); 5.2 通信发送过程 在发送之前，发送方需要按照双方约定的 485 通信帧格式将消息组帧，并按照约定数据链 路传输协议组成 485 的数据链路帧。接下来就是如何发送数据包了。 在 RS-485 通信中，发送过程主要采取了总线仲裁机制： 在向 485 总线写数据时，主设备先写一字节的地址请求，所有的从设备均会收到，只有地 址与之相等的从设备端口打开，其他设备全部关闭。这样，主设备与从设备之间的通信就 是点对点的。 每一个从设备均有一根请求线与主设备相连，若从设备需要与主设备通信时，先通过请求 线进行请求，当请求成功后，从设备应能检测到总线上的地址与自身地址相同，从设备才 能打开发送中断，才能发送消息，发送完之后必须关闭发 送中断，释放总线，以保证其他从设备这段时间能与主设备正常通信，提高通信效率。 RS-485 通信发送流程图如图 3 所示。 5.3 通信接收过程 对于串口通信，仍然要关心数据接收的实时性，因此采用中断方式，利用 VxWorks 提供 的 select 函数的事件触发机制，将读串口的任务阻塞使其一直等待数据，当有数据来到的 时候该任务会立刻自动响应，提高系统的实时性，调用 read( )接收数据并存入先前创建的接收环形缓冲区 g_tRecvRingId 中直至缓冲区 g_tRecvRingId 满或接收完链路上的数据，接下来就是根据通信协议来处理数据包解帧 处理过程。 接收方判断开始 485 通信帧的条件是，设备不报告接收错误的情况下，接收到 0x7E 字符 之后的第一个非 0x7E 的字符。判断帧结束的条件是，帧接收已经开始，遇到第一个尾标 志字符。在两个 0X7E 间若收到 0X7D，则丢弃，并将其后的一个字 节数据与 0X20 异或。 当链路层的通信帧接收已经开始的情况下，设备报告字符接收错误，此时应当丢弃本帧， 结束帧的接收，重新开始搜索下一帧。 长度字段后面的字节个数不等于长度字段指示，并且也不等于长度字段加 2 时，指示长度 错误，作无效帧。帧长度小于帧头的长度的帧视为无效帧。当接收的字符个数超过最大的 485 通信帧字节数262 时，也认为接收错误，重新开始搜 索头标志，检出下一帧数据。 超时保护：如果接收收方在接收一帧数据时，在未接收完一帧时，超过 20ms（2 个 Ticks）仍未有数据到达，则认为本帧数据接收结束，并将其丢弃。 在允许进行校验的情况下，对接收到的帧进行 CRC 校验。如果校验字段与帧的校验结果不 符，认为帧出错，通常作丢弃处理。 帧头中，目的地址与接收单元不匹配时，丢弃该帧。 6、结束语 VxWorks 是一种高性能嵌入式实时操作系统，它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛 地应用在通信、自动化、航空等各个领域中。许多外部终端设备如打印机、逻辑分析仪等 都采用串行方式，以及对单板的调试也要用到串行口，因此 掌握在 Vxworks 下的串行通信是非常重要的。 本文的创新之处在于提出一种新的 RS-485 通信协议，在这种协议中，发送方根据协议组 帧，再采用总线仲裁机制将消息发送出去，而接收方则将