RS485總線的死鎖檢測與解除

1、rs-485總線的死鎖檢測與解除作者：（廣州）增城市電力局 黃沛芳 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 摘要：針對rs-485接口收發(fā)電路的特點，討論rs-485總線在polling和csma/cd通信方式中死鎖檢測和解除死鎖的方法。該方法同樣適用于rs-422接口。 關(guān)鍵詞：rs-485接口 死鎖檢測 死鎖解除 rs-485總線傳送距離遠、速度快、抗干擾能力強，是工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的數(shù)字通信標準。rs-485總線是一種半雙工通信標準，支持總線方式多點互連，使其成為集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中采用最多的通信和組網(wǎng)方法。采用rs-485總線連接的多個站點，任一時刻只能有一個站點在“說”，其它站點只能

2、處于“聽”狀態(tài)。如果有多個1個的站點在“說”，數(shù)據(jù)將在通信總線上碰撞，結(jié)果是處于接收狀態(tài)的站點不能收到正確的數(shù)據(jù)。在rs-485總線通信網(wǎng)中，必須控制好每個站點的“聽、說”狀態(tài)，即收發(fā)狀態(tài)，以保證能及時、正確地傳輸數(shù)據(jù)。 圖1是最常見的rs-485接口。在rs-485總線通信系統(tǒng)中，掛在總線上的收發(fā)電路一般大于2個。使用圖1所示接收電路，如果系統(tǒng)中的某一個站點死機或出了問題，可能使單片機的p1.0口恒為“1”。其發(fā)送器將長期占用通信總線，產(chǎn)生稱為rs-485總線“死鎖”的狀態(tài)，其它所有站點的均無法使用通信總線進行通信，這將導致整個通信系統(tǒng)崩潰。為了說明方便，把rs-485總線a線對地電壓為稱為

3、va，b線對地電壓為稱為vb；vavb時的死鎖稱為“1”死鎖，vavb時的死鎖稱為“0”死鎖。如果2個站點失控，其中一個是“1”死鎖，另一個是“0”死鎖，而系統(tǒng)無法及時解除該死鎖狀態(tài)，不但各站點間無法正常通信而且會燒壞鎖站點的rs-485接口芯片，引發(fā)更大的故障。 在rs-485總線通信系統(tǒng)中，通常設(shè)有個功能強、工作可靠的站點作為主站，其它的作為子站。主站除了完成它的相關(guān)工作任務(wù)外，通常它還負責管理掛在rs-485總線上的其它子站。程序跑飛是所有基于微處理器系統(tǒng)均需面對的普遍問題。在工業(yè)測控系統(tǒng)中，可靠、穩(wěn)定地工作是第一位的。若同時賦予主站rs-485總線死鎖檢測與解除的軟/硬件和在所有的子站

4、中配置相關(guān)硬件，將可以有效解決由于子站程序跑飛而引發(fā)的rs-485總線死鎖問題。 一、rs-485總線死鎖檢測 1.查詢方式的rs-485總線死鎖檢測 rs-485總線在發(fā)送數(shù)據(jù)時，允許同時接收剛發(fā)送的數(shù)據(jù)。rs-485總線通信系統(tǒng)如果工作于查詢方式，主站將不斷地每隔一定時間輪詢各個子部。只要輪詢時間不太長，如輪詢時間間隔1min，則只須軟件開鎖就可以滿足rs-485總線死鎖檢測要求。主站在輪詢過程中，若檢測到以下兩種情況，就可以初步判為rs-485死鎖： （1）主站發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收到的不相同； （2）在輪詢某個子站時，無響應(yīng)或響應(yīng)的數(shù)據(jù)不正確（可能是rs-485總線死鎖或子站死機，也有可能孩

5、子站已退出運行）。 2.工作于csma/cd方式的rs-485總線死鎖檢測 采用csma/cd通信方式的rs-485總線，主站一般不主動輪詢每個子站。此方式下，主站可以采用圖2所示硬件來檢測rs-485總線的死鎖狀態(tài)。在rs-485總線空閑時，要求信號線a至少比信號線b高0.2v以上。只要使rs-485總線空閑時0.2vva-vb正常發(fā)送2字節(jié)時間，判為rs-485總線“1”死鎖。 （2）rxd低電平持續(xù)時間正常發(fā)送2字節(jié)時間，判為rs-485總線“0”死鎖。 二、rs-485總線死鎖解除 rs-485總線死鎖往往是由于子站的微控制器程序跑飛，使得rs-485發(fā)送器的發(fā)送使能de恒為高電平引起

6、的。出現(xiàn)這種情況只需給相應(yīng)的子站復位一下，讓它重新執(zhí)行初始化程序始可解決。在檢測到rs-485總線死鎖后，如果各子站的軟/硬件無問題，可以采用復位程序跑飛的子站來解除死鎖。以下介紹兩類可以由主站自動復位子站的硬件電路。該電路適用于rst引腳高電平有效時復位的單片機，如國內(nèi)廣泛應(yīng)用的51系列單片機。對于rst引腳低電平有效時復位的單片機則須將電路的邏輯取反。 1.有選擇性地復位死鎖子站電路 圖3是具有選擇性的復位死鎖子站電路，是一種巧妙的解除通信總線死鎖狀態(tài)設(shè)計。它利用了rs-485總線死鎖，則對應(yīng)死鎖子站的發(fā)送使能de為“1”的特點，在子站中只用了少量的硬件開銷（1個與非門、1個電阻和1只三極

7、管），即實現(xiàn)了有選擇性的復位死鎖子站的電路。在正常工作時，主站的p1.1置為“0”，此時不管各個子站的de為何狀態(tài)，它們的與非門輸出均為高電平，三極管t1截止，rst為低電平，不會復位任何子站。當檢測到rs-485總線死鎖時，主站只需將p1.1置為“1”，只有de為“1”子站的與非門輸出低電平，三極管t1導通，rst為高電平，相應(yīng)的子站被復位。其它子站的與非門輸出高電平，不會被錯誤地復位。 2.無選擇性地復位所有子站電路 圖4是一個無選擇性復位子站的電路。它由主站的p1.1驅(qū)動，通過屏蔽電纜引到各子站的外復位電路t1的基極。正常運行時，主站置p1.1為“1”，此時它不影響各子站原有的復位功能。

8、當主站檢測到rs-485總線死鎖或復位各子站時，只須將p1.1置為“0”，所有掛在復位總線上的t1均導通，rst輸出高電平，各子站均被無條件復位。 結(jié)束語 單片機的復位電路是對干擾較為敏感的電路。施加在單片機的復位電路上一個ms級的微小毛刺干擾，就會對單片機造成極為嚴重的影響。若毛刺干擾持續(xù)時間大于單片機要求最小的可靠復位時間，單片機被復位；否則單片機還末完成復位過程，復位信號就被撤消，其內(nèi)部寄存器將處于不確定狀態(tài)，令單片機的應(yīng)用中，為了可靠起見，一般不外引復位電路。在要文的應(yīng)用中，需將復位電路外引，復位總線采用屏蔽線以提高抗干擾能力。 本文介紹的2種遠方復位電路，各有優(yōu)缺點。具有選擇性的復位

9、電路優(yōu)點是：有選擇性地復位鎖rs-485總線的子站，而不影響其它正常的子站，滿足解除rs-485總線死鎖的要求。缺點是：當子站程序跑飛但并沒有使得de恒為高電平時，rs-485總線處于正常狀態(tài)，主站可以和所有正常的子站通信，但主站對這個異常的子站無能為力。無選擇性的復位電路優(yōu)點是：主站可以復位任何類型的由于程序跑飛引起異常的子站，此外，在電路的實現(xiàn)上較有選擇性的復位電路簡單。缺點是：它的動作是無選擇性的，不管子站是否異常，掛在復位總線上的所有子站均被無條件復位。 rs-422接口的電氣參數(shù)要求與rs-485接口相同，主要差別在于rs-422是全雙工接口，而rs-485是雙工接口。本文介紹rs-

10、485總線死鎖檢測方法，只需稍加修改，同樣適用于rs-422總線系統(tǒng)，而解除死鎖的方法無需任何修改即可直接應(yīng)用于rs-422總線系統(tǒng)。1 問題的提出在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用rs-485通信接口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機之間中長距離通信的諸多方案分析來看，rs-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當?shù)忍攸c而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報警等領(lǐng)域。但rs485總線存在自適應(yīng)、自保護功能脆弱等缺點，如不注意一些細節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)

11、癱瘓等故障，因此提高rs-485總線的運行可靠性至關(guān)重要2 硬件電路設(shè)計中需注意的問題2.1 電路基本原理某節(jié)點的硬件電路設(shè)計如圖1所示，在該電路中，使用了一種rs-485接口芯片sn75lbc184，它采用單一電源vcc，電壓在35.5 v范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的rs-485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達8 kv的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個瞬時過壓保護管，可承受高達400 v的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設(shè)計，當輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證接收

12、器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為rs485標準輸入阻抗的2倍（24 k），故可以在總線上連接64個收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計了限斜率驅(qū)動，使輸出信號邊沿不會過陡，使傳輸線上不會產(chǎn)生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖1中，四位一體的光電耦合器tlp521讓單片機與sn75lbc184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。基本原理為：當單片機p1.6=0時，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，輸出高電壓（5 v），選中rs485接口芯片的de端，允許發(fā)送。當單片機p1.6=1時，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導通，輸出低電壓（0 v）

13、，選中rs485接口芯片的re端，允許接收。sn75lbc184的r端（接收端）和d端（發(fā)送端）的原理與上述類似。2.2 rs-485的de控制端設(shè)計在rs-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個網(wǎng)絡(luò)中任一時刻只能有一個節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個節(jié)點或2個以上節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會導致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個節(jié)點的硬件設(shè)計中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導致總線數(shù)據(jù)沖突。以mcs51系列的單片機為例，因其在系統(tǒng)復位時，i/o口都輸出高電平，如果把i/o口直接與rs-485接口芯片的驅(qū)動器使能端d

14、e相連，會在cpu復位期間使de為高，從而使本節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時總線上有其他節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個總線因某一節(jié)點的故障而通信阻塞，繼而影響整個系統(tǒng)的正常運行。考慮到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個節(jié)點的設(shè)計中應(yīng)將控制rs485總線接口芯片的發(fā)送引腳設(shè)計成de端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時，de端為“0”；控制引腳為邏輯“0”時，de端為“1”。在圖1中,將cpu的引腳p1.6通過光電耦合器驅(qū)動de端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復位時使sn75lbc184始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點因異常情況而對整個系統(tǒng)造成的影響。這就為整個

15、系統(tǒng)的通信可靠奠定了基礎(chǔ)。此外，電路中還有1片看門狗max813l，能在節(jié)點發(fā)生死循環(huán)或其他故障時，自動復位程序，交出rs-485總線控制權(quán)。這樣就保證整個系統(tǒng)不會因某一節(jié)點發(fā)生故障而獨占總線，導致整個系統(tǒng)癱瘓。2.3 避免總線沖突的設(shè)計當一個節(jié)點需要使用總線時，為了實現(xiàn)總線通信可靠，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下先偵聽總線。在硬件接口上，首先將rs-485接口芯片的數(shù)據(jù)接收引腳反相后接至cpu的中斷引腳int0。在圖1中，int0是連至光電耦合器的輸出端。當總線上有數(shù)據(jù)正在傳輸時，sn75lbc184的數(shù)據(jù)接收端（r端）表現(xiàn)為變化的高低電平，利用其產(chǎn)生的cpu下降沿中斷（也可采用查詢方式），能得知

16、此時總線是否正“忙”，即總線上是否有節(jié)點正在通信。如果“空閑”，則可以得到對總線的使用權(quán)限，這樣就較好地解決了總線沖突的問題。在此基礎(chǔ)上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級，使高優(yōu)先級的消息得以優(yōu)先發(fā)送，從而進一步提高系統(tǒng)的實時性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒有主、從節(jié)點之分，各個節(jié)點對總線的使用權(quán)限是平等的，從而有效避免了個別節(jié)點通信負擔較重的情況?？偩€的利用率和系統(tǒng)的通信效率都得以大大提高，從而也使系統(tǒng)響應(yīng)的實時性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個別節(jié)點發(fā)生故障，也不會影響其他節(jié)點的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“危險”分散了，從某種程度上來說增強了系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性。2.4 rs-485輸

17、出電路部分的設(shè)計在圖1中，vd1vd4為信號限幅二極管,其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合rs-485標準，vd1和vd3取12 v,vd2 和vd4取7 v,以保證將信號幅度限定在-7+12 v之間，進一步提高抗過壓的能力?？紤]到線路的特殊情況（如某一節(jié)點的rs-485芯片被擊穿短路），為防止總線中其他分機的通信受到影響，在sn75lbc184的信號輸出端串聯(lián)了2個20 的電阻r1和r2，這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 左右，所以線路設(shè)計時，在rs485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1個120 的匹配電阻（如圖1中的r3

18、），以減少線路上傳輸信號的反射。2.5系統(tǒng)的電源選擇 對于由單片機結(jié)合rs-485組建的測控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各節(jié)點獨立供電的方案，同時電源線不能與rs-485信號線共用同一股多芯電纜。rs-485信號線宜選用截面積0.75 mm2以上的雙絞線而不是平直線,并且選用線性電源tl750l05比選用開關(guān)電源更合適。tl750l05必須有輸出電容，若沒有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制該現(xiàn)象。3 軟件的編程sn75lbc184在接收方式時，a、b為輸入，r為輸出；在發(fā)送方式時，d為輸入，a、b為輸出。當傳送方向改變一次后，如果輸入未變化

19、，則此時輸出為隨機狀態(tài)，直至輸入狀態(tài)變化一次，輸出狀態(tài)才確定。顯然，在由發(fā)送方式轉(zhuǎn)入接收方式后，如果a、b狀態(tài)變化前，r為低電平，在第一個數(shù)據(jù)起始位時，r仍為低電平，cpu認為此時無起始位，直到出現(xiàn)第一個下降沿，cpu才開始接收第一個數(shù)據(jù)，這將導致接收錯誤。由接收方式轉(zhuǎn)入發(fā)送方式后，d變化前，若a與b之間為低電壓，發(fā)送第一個數(shù)據(jù)起始位時，a與b之間仍為低電壓，a、b引腳無起始位，同樣會導致發(fā)送錯誤?？朔@種后果的方案是：主機連續(xù)發(fā)送兩個同步字，同步字要包含多次邊沿變化(如55h ，0aah)，并發(fā)送兩次(第一次可能接收錯誤而忽略) ，接收端收到同步字后，就可以傳送數(shù)據(jù)了，從而保證正確通信。 為了更可靠地工作，在rs485總線狀態(tài)切換時需要適當延時，再進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時0.5 ms左右的時間，再發(fā)送有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，再延時0.5 ms，將控制端置“0”。這樣的處理會使總線在狀態(tài)切換時，有一個穩(wěn)定的工作過程。數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖如圖2所示。單片機通信節(jié)點的程序基本上可以分為6個主要部分，分別為預定義部分、初始化部分、主程序部分、設(shè)備狀態(tài)檢測部分、幀接收部分和幀發(fā)送部分。預定義部分主要定義了通信中使用的握手信號，用于保存設(shè)備信息的緩沖區(qū)和保存本