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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 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。
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。
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。 I/O 系统方面, 在 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。
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。
RSRS-485 通信协议 485 通信帧格式

表 1

485 通信帧格式 长度 1Byte 控制 2Bytes 帧净荷数据 由长度字节确定, ≤255Bytes CRC 检验 2Bytes

目的地址 源地址 1Byte 1Byte

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。 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。
485 数据链路层帧

表 2

485 链路层帧格式 尾标志 (0x7E) 最大不超过 485 通信帧的长度 (不包括字节拆分2Bytes 的添加字符)

头标志 (0x7E) 通信帧 485 1Byte

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。
串行通信应用程序设计 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_RS485LinkCB[i].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);
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。
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。

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。 RS-485 接口在总线上是允许连接多达 128 而 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 RS232、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。

2. RS-422 与 RS-485 串行接口标准 (1)平衡传输 RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样,数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传 输,它使用一对双绞线, 将其中一线定义为 A,另一线定义为 B。通常情况下,发送驱动器 A、B 之间的正 电平在+2~+6V,是一个逻 辑状态,负电平在-2V~6V,是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C,在 RS-485 中还有一“使能”端,而 在 RS-422 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的 切断与连接。当“使能” 端起作用时,发送驱动器处于高阻状态,称作“第三态”,即它是有别于逻辑 “1”与“0”的第三态。 (2)RS-422 电气规定 由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能力, 故允许在相 同传输线上连接多个接 收节点, 最多可接 10 个节点。 即一个主设备 (Master) 其余为从设备 , (Salve) , 从设备之间不能通 信,所以 RS-422 支持点对多的双向通信。RS-422 四线接口由于采用单独的发送 和接收通道,因此不必控 制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF 握 手)或硬件方式(一对单 独的双绞线)实现。RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺(约 1219 米),最大 传输速率为 10Mbps。其平衡 双绞线的长度与传输速率成反比,在 100Kbps 速率以下,才可能达到最大传输距 离。只有在很短的距离 下才能获得最高速率传输。 一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅 为 1Mbps。RS-422 需要一 终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接 电阻,即一般在 300 米 以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

(3)RS-485 电气规定 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。 RS-485 总线, 在要求通信距离为几十米到上千米时, 广泛采用 RS-485 串 行总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有 高灵敏度,能检测低至 200mV 的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485 采用半双工工作方 式,任何时候只能有一点 处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连 时非常方便,可以省掉许 多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统,其允许最多并联 32 台驱动 器和 32 台接收器。 RS-485 与 RS-422 的不同还在于其共模输出电压是不同的,RS-485 是-7V 至+12V 之间, 而 RS-422 在-7V 至+7V 之 间;RS-485 满足所有 RS-422 的规范,所以 RS-485 的驱动器可以用在 RS-422 网 络中应用。RS-485 与 RS-422 一样,其最大传输距离约为 1219 米,最大传输速率为 10Mbps。平衡双绞线的长 度与传输速率成反比,在 100Kbps 速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能 获得最高速率传输。一 般 100 米长双绞线最大传输速率仅为 1Mbps。 (4)RS-422 与 RS-485 的网络安装注意要点 RS-422 可支持 10 个节点,RS-485 支持 32 个节点,因此多节点构成网络。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: * 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。 * 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。 二 串口插口种类及转换 串口是一种接口标准, 它规定了接口的电气标准, 简单说只是物理层的一个标准。 没有规定接口插件电 缆以及使用的协议, 所以只要我们使用的接口插件电缆符合串口标准就可以在实 际中灵活使用,在串口 接口标准上使用各种协议进行通讯及设备控制。 以上我们了解了串口的协议, 而我们日常工作中接触最多的是实际的一些设备的 外部接口,我们如何从 外形上就知道它是那种接口呢?制作线缆各针脚如何定义?上面我们知道了串 口 RS-232、RS-422 与 RS485 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。从我们实际工作中碰到的使用最多的插口有三种 DB9 DB25 RJ45,上面三种插口插件 都可以用作串口插口插件,也可以通过线缆进行插口之间的转换。下面我们就三 种插口的针脚定义分别 说明,三个插口之间的转换也只要按照插口定义的线缆跳接即可。 * DB9(9 脚插口插座),如图 2。9 针串口功能如表 1。 * DB25(25 脚插口插座),如图 3。25 针串口功能如表 2。 * 还有一种插口是 RJ45,比如湖北台使用的品尼高 mss1600、mss700 视频服务 器的编解码板控制口都为

串口,插口是 RJ45 的,而播控机的串口插口是 DB9,因此我们就需要使用转换 线缆。转换线缆的针脚定 义如图 4。 RS485 半双工接法为: RX+ 和 TX+ 并联为 Data+; RX- 和 TX- 并联为 Data-。 RS485 全双工/RS422 接法 为:FULL 和 GND 短接;信号线为 RX+,TX+,RX-,TX-,可根据需要连接 GND。 三 串口的扩展 串口的扩展,我们知道一般一台计算机有两个串口,而对于一台播控计算机需要 控制的设备远远不止两 台设备,我们需要同时控制视频服务器,录像机、切换台、字幕机等各种设备。 所以我们就需要对串口 进行扩展,我们可以使用串口扩展卡对串口进行扩展,比如我们在播控系统中使 用的串口扩展卡 MOXA CI-134。 MOXA CI-134 是专为工业环境通信应用设计的 RS-422/485 四串口卡。它支持 4 个独立的 RS-422/485 串口 ,在一对多点的通信应用下,最多可控制 128 个设备。为使 RS-485 2 线半双工 操作变得更加简单,每片 CI-134 卡都具有数据流向自动控制(ADDC),不需软件操作。因此,在 Windows 应用下不需额外的编码 就能控制 RS-485 半双工协议。为达到工业环境对高可靠性产品的要求,本系列 产品提供可选择的光电隔 离(2 KV)和浪涌保护(25 KV ESD)功能。 该产品特点包括:可选择光电隔离(2KV)和浪涌保护(25KV ESD)功能;提供 数据流向自动控制 ADDC (Automatic Data Direction Control)功能;RS-485 数据控制 l: ADDC 或通 过 RTS 控制;内建终端 电阻;采用芯片硬件流量控制,保证数据不流失;采用先进 ASIC 设计,返修率 低;支持众多常见的操

作系统。 四 串口在播出控制系统中的应用 我们知道串口 RS232 有效传输距离为 15 米, RS-422 的最大传输距离为 4000 英 尺(约 1219 米),最大传输 速率为 10Mbps。 我们播控中使用的录像机如 DVCPRO、 控制接口有 RS232、 IMX RS422 多个接口供选择,如 果使用 pin9 则为 RS422 接口,视频服务器编解码口控制都是 RS422 接口,只是 插口为 RJ45 不是 DB9 的,需 要转换线缆进行转换。因此我们在控制中根据以上特性可以灵活使用,我们由于 主备控制切换的需要, 以及距离的考虑统一选用 RS422 倒换开关进行倒换,控制 RS422 倒换开关的为 RS232 控制接口,这个直接 由播控机本身的 COM 口来控制倒换开关进行倒换,其他控制录像机、切换台、视 频服务器编解码卡使用 MOXA 卡扩展的 RS422 接口进入 RS422 倒换开关进行倒换。控制图如图 5。 整个系统中只有 RS422 倒换开口控制是播控机的 COM(RS232)口控制,其他都 是 MOXA 卡扩展的 RS422 接口 , 由于应急开关需要 RS232 所以在应急开关前面加了一个 RS422 转 RS232 的转换 器。通过控制线播控机可 以及时发出播控指令, 也可以随时读取录像机、 切换台、 还有视频服务器的状态。 以上只是播控机房的 系统控制图。上载、总控机房的系统控制大致和这相同。 RS422 总线、RS485 和 RS422 电路原理基本相同,都是以差动方式发送和接受, 不需要数字地线。差动工 作是同速率条件下传输距离远的根本原因,这正是二者与 RS232 的根本区别,因 为 RS232 是单端输入输出 ,双工工作时至少需要数字地线、发送线和接受线三条线(异步传输),还可以 加其它控制线完成同步 等功能。RS422 通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响,而 RS485 只能半 双工工作,发收不能同时

进行,但它只需要一对双绞线。以上三种接口各有缺点,在实际工作中可以根据 需要灵活选用。 计算机控制在广电播控系统中运用会越来越广泛, 而且随着计算机技术的不断发 展,智能化也会不断提 高,系统也会更加庞大,这就要求我们能更深入了解计算机的基础理论,这样才 能更深入的了解系统, 维护系统,保证系统的安全稳定运行,更好的保障安全播出。 市场上的 RS-232 转 RS-485 的转换器,无源与有源两种 无源一般只是转换,有源的转换器除了实现 232 和 485 的转换,还能保证两者之 间电气隔离!因为 485 的
线路往往比较长,线路上有干扰,采取隔离措施后即使 485 线路上有干扰也不会影响 232


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