RS485總線的死鎖檢測(cè)與解除

1、rs-485總線的死鎖檢測(cè)與解除作者：（廣州）增城市電力局 黃沛芳 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 摘要：針對(duì)rs-485接口收發(fā)電路的特點(diǎn)，討論rs-485總線在polling和csma/cd通信方式中死鎖檢測(cè)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(cè) 死鎖解除 rs-485總線傳送距離遠(yuǎn)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)。rs-485總線是一種半雙工通信標(biāo)準(zhǔn)，支持總線方式多點(diǎn)互連，使其成為集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)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(gè)站點(diǎn)，任一時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)在“說(shuō)”，其它站點(diǎn)只能

2、處于“聽(tīng)”狀態(tài)。如果有多個(gè)1個(gè)的站點(diǎn)在“說(shuō)”，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(diǎn)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(gè)站點(diǎn)的“聽(tīng)、說(shuō)”狀態(tài)，即收發(fā)狀態(tài)，以保證能及時(shí)、正確地傳輸數(shù)據(jù)。 圖1是最常見(jiàn)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(gè)。使用圖1所示接收電路，如果系統(tǒng)中的某一個(gè)站點(diǎn)死機(jī)或出了問(wèn)題，可能使單片機(jī)的p1.0口恒為“1”。其發(fā)送器將長(zhǎng)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(diǎn)的均無(wú)法使用通信總線進(jìn)行通信，這將導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)崩潰。為了說(shuō)明方便，把rs-485總線a線對(duì)地電壓為稱為

3、va，b線對(duì)地電壓為稱為vb；vavb時(shí)的死鎖稱為“1”死鎖，vavb時(shí)的死鎖稱為“0”死鎖。如果2個(gè)站點(diǎn)失控，其中一個(gè)是“1”死鎖，另一個(gè)是“0”死鎖，而系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)解除該死鎖狀態(tài)，不但各站點(diǎn)間無(wú)法正常通信而且會(huì)燒壞鎖站點(diǎn)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(gè)功能強(qiáng)、工作可靠的站點(diǎn)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(fù)責(zé)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(duì)的普遍問(wèn)題。在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，可靠、穩(wěn)定地工作是第一位的。若同時(shí)賦予主站rs-485總線死鎖檢測(cè)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(wèn)題。 一、rs-485總線死鎖檢測(cè) 1.查詢方式的rs-485總線死鎖檢測(cè) rs-485總線在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，允許同時(shí)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(shí)間輪詢各個(gè)子部。只要輪詢時(shí)間不太長(zhǎng)，如輪詢時(shí)間間隔1min，則只須軟件開(kāi)鎖就可以滿足rs-485總線死鎖檢測(cè)要求。主站在輪詢過(guò)程中，若檢測(cè)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(gè)子站時(shí)，無(wú)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(jī)，也有可能孩

5、子站已退出運(yùn)行）。 2.工作于csma/cd方式的rs-485總線死鎖檢測(cè) 采用csma/cd通信方式的rs-485總線，主站一般不主動(dòng)輪詢每個(gè)子站。此方式下，主站可以采用圖2所示硬件來(lái)檢測(cè)rs-485總線的死鎖狀態(tài)。在rs-485總線空閑時(shí)，要求信號(hào)線a至少比信號(hào)線b高0.2v以上。只要使rs-485總線空閑時(shí)0.2vva-vb正常發(fā)送2字節(jié)時(shí)間，判為rs-485總線“1”死鎖。 （2）rxd低電平持續(xù)時(shí)間正常發(fā)送2字節(jié)時(shí)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(fù)位一下，讓它重新執(zhí)行初始化程序始可解決。在檢測(cè)到rs-485總線死鎖后，如果各子站的軟/硬件無(wú)問(wèn)題，可以采用復(fù)位程序跑飛的子站來(lái)解除死鎖。以下介紹兩類可以由主站自動(dòng)復(fù)位子站的硬件電路。該電路適用于rst引腳高電平有效時(shí)復(fù)位的單片機(jī)，如國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的51系列單片機(jī)。對(duì)于rst引腳低電平有效時(shí)復(fù)位的單片機(jī)則須將電路的邏輯取反。 1.有選擇性地復(fù)位死鎖子站電路 圖3是具有選擇性的復(fù)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(jì)。它利用了rs-485總線死鎖，則對(duì)應(yīng)死鎖子站的發(fā)送使能de為“1”的特點(diǎn)，在子站中只用了少量的硬件開(kāi)銷（1個(gè)與非門、1個(gè)電阻和1只三極

7、管），即實(shí)現(xiàn)了有選擇性的復(fù)位死鎖子站的電路。在正常工作時(shí)，主站的p1.1置為“0”，此時(shí)不管各個(gè)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(huì)復(fù)位任何子站。當(dāng)檢測(cè)到rs-485總線死鎖時(shí)，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(dǎo)通，rst為高電平，相應(yīng)的子站被復(fù)位。其它子站的與非門輸出高電平，不會(huì)被錯(cuò)誤地復(fù)位。 2.無(wú)選擇性地復(fù)位所有子站電路 圖4是一個(gè)無(wú)選擇性復(fù)位子站的電路。它由主站的p1.1驅(qū)動(dòng)，通過(guò)屏蔽電纜引到各子站的外復(fù)位電路t1的基極。正常運(yùn)行時(shí)，主站置p1.1為“1”，此時(shí)它不影響各子站原有的復(fù)位功能。

8、當(dāng)主站檢測(cè)到rs-485總線死鎖或復(fù)位各子站時(shí)，只須將p1.1置為“0”，所有掛在復(fù)位總線上的t1均導(dǎo)通，rst輸出高電平，各子站均被無(wú)條件復(fù)位。 結(jié)束語(yǔ) 單片機(jī)的復(fù)位電路是對(duì)干擾較為敏感的電路。施加在單片機(jī)的復(fù)位電路上一個(gè)ms級(jí)的微小毛刺干擾，就會(huì)對(duì)單片機(jī)造成極為嚴(yán)重的影響。若毛刺干擾持續(xù)時(shí)間大于單片機(jī)要求最小的可靠復(fù)位時(shí)間，單片機(jī)被復(fù)位；否則單片機(jī)還末完成復(fù)位過(guò)程，復(fù)位信號(hào)就被撤消，其內(nèi)部寄存器將處于不確定狀態(tài)，令單片機(jī)的應(yīng)用中，為了可靠起見(jiàn)，一般不外引復(fù)位電路。在要文的應(yīng)用中，需將復(fù)位電路外引，復(fù)位總線采用屏蔽線以提高抗干擾能力。 本文介紹的2種遠(yuǎn)方復(fù)位電路，各有優(yōu)缺點(diǎn)。具有選擇性的復(fù)位

9、電路優(yōu)點(diǎn)是：有選擇性地復(fù)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(diǎn)是：當(dāng)子站程序跑飛但并沒(méi)有使得de恒為高電平時(shí)，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(duì)這個(gè)異常的子站無(wú)能為力。無(wú)選擇性的復(fù)位電路優(yōu)點(diǎn)是：主站可以復(fù)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(shí)現(xiàn)上較有選擇性的復(fù)位電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是：它的動(dòng)作是無(wú)選擇性的，不管子站是否異常，掛在復(fù)位總線上的所有子站均被無(wú)條件復(fù)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(cè)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(wú)需任何修改即可直接應(yīng)用于rs-422總線系統(tǒng)。1 問(wèn)題的提出在工業(yè)控制及測(cè)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(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機(jī)之間中長(zhǎng)距離通信的諸多方案分析來(lái)看，rs-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)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(bào)警等領(lǐng)域。但rs485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)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(yùn)行可靠性至關(guān)重要2 硬件電路設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題2.1 電路基本原理某節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)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(dá)8 kv的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個(gè)瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)管，可承受高達(dá)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(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收

12、器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為rs485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（24 k），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了限斜率驅(qū)動(dòng)，使輸出信號(hào)邊沿不會(huì)過(guò)陡，使傳輸線上不會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(jī)與sn75lbc184之間完全沒(méi)有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性?；驹頌椋寒?dāng)單片機(jī)p1.6=0時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓（5 v），選中rs485接口芯片的de端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)p1.6=1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)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(jì)在rs-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)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(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線數(shù)據(jù)沖突。以mcs51系列的單片機(jī)為例，因其在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，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(dòng)器使能端d

14、e相連，會(huì)在cpu復(fù)位期間使de為高，從而使本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時(shí)總線上有其他節(jié)點(diǎn)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(gè)總線因某一節(jié)點(diǎn)的故障而通信阻塞，繼而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將控制rs485總線接口芯片的發(fā)送引腳設(shè)計(jì)成de端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時(shí)，de端為“0”；控制引腳為邏輯“0”時(shí)，de端為“1”。在圖1中,將cpu的引腳p1.6通過(guò)光電耦合器驅(qū)動(dòng)de端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復(fù)位時(shí)使sn75lbc184始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點(diǎn)因異常情況而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響。這就為整個(gè)

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(diǎn)發(fā)生死循環(huán)或其他故障時(shí)，自動(dòng)復(fù)位程序，交出rs-485總線控制權(quán)。這樣就保證整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而獨(dú)占總線，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。2.3 避免總線沖突的設(shè)計(jì)當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要使用總線時(shí)，為了實(shí)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(tīng)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(dāng)總線上有數(shù)據(jù)正在傳輸時(shí)，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(shí)總線是否正“忙”，即總線上是否有節(jié)點(diǎn)正在通信。如果“空閑”，則可以得到對(duì)總線的使用權(quán)限，這樣就較好地解決了總線沖突的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級(jí)，使高優(yōu)先級(jí)的消息得以優(yōu)先發(fā)送，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒(méi)有主、從節(jié)點(diǎn)之分，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的使用權(quán)限是平等的，從而有效避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)通信負(fù)擔(dān)較重的情況。總線的利用率和系統(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(shí)時(shí)性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“危險(xiǎn)”分散了，從某種程度上來(lái)說(shuō)增強(qiáng)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(jì)在圖1中，vd1vd4為信號(hào)限幅二極管,其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合rs-485標(biāo)準(zhǔn)，vd1和vd3取12 v,vd2 和vd4取7 v,以保證將信號(hào)幅度限定在-7+12 v之間，進(jìn)一步提高抗過(guò)壓的能力?？紤]到線路的特殊情況（如某一節(jié)點(diǎn)的rs-485芯片被擊穿短路），為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在sn75lbc184的信號(hào)輸出端串聯(lián)了2個(gè)20 的電阻r1和r2，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)時(shí)，在rs485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1個(gè)120 的匹配電阻（如圖1中的r3

18、），以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。2.5系統(tǒng)的電源選擇 對(duì)于由單片機(jī)結(jié)合rs-485組建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立供電的方案，同時(shí)電源線不能與rs-485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。rs-485信號(hào)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(kāi)關(guān)電源更合適。tl750l05必須有輸出電容，若沒(méi)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(shí)，a、b為輸入，r為輸出；在發(fā)送方式時(shí)，d為輸入，a、b為輸出。當(dāng)傳送方向改變一次后，如果輸入未變化

19、，則此時(shí)輸出為隨機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，r仍為低電平，cpu認(rèn)為此時(shí)無(wú)起始位，直到出現(xiàn)第一個(gè)下降沿，cpu才開(kāi)始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致接收錯(cuò)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(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，a與b之間仍為低電壓，a、b引腳無(wú)起始位，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)送錯(cuò)誤?？朔@種后果的方案是：主機(jī)連續(xù)發(fā)送兩個(gè)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(cuò)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(shí)需要適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)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(shí)0.5 ms左右的時(shí)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(shí)0.5 ms，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖如圖2所示。單片機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的程序基本上可以分為6個(gè)主要部分，分別為預(yù)定義部分、初始化部分、主程序部分、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分、幀接收部分和幀發(fā)送部分。預(yù)定義部分主要定義了通信中使用的握手信號(hào)，用于保存設(shè)備信息的緩沖區(qū)和保存本