在工業(yè)控制及測量領域較為常用的網絡之一就是物理層采用RS-485通信接口所組成的工控設備網絡。這種通信接口可以十分方便地將許多設備組成一個控制網絡。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構簡單、價格低廉、通信距離和數據傳輸速率適當等特點而被廣泛應用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報警、工業(yè)控制、煤礦安全等領域。但RS485總線存在自適應、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)癱瘓等故障，因此對RS-485進行隔離保護,提高其可靠性至關重要。

　　RS485總線系統(tǒng)

　　在實際應用中，RS485半雙工異步通信總線是被各研究機構廣泛應用的數據通信總路線，它往往應用在集中控制樞紐和分散控制單元之間。系統(tǒng)如圖1所示

　　在實際應用中，分散控制單元往往數量較多，分布較遠，現(xiàn)場存在各種干擾，可靠性不高。再加上軟硬件設計不完善，使得如何在工業(yè)應用中保證RS485的可靠性成為各研發(fā)人員的一塊心病。

　　在設計485通信系統(tǒng)時如果按照常規(guī)的電路設計，會存在以下幾點問題：

　　1、通信數據收發(fā)可靠性問題。

　　2、在多節(jié)點通信系統(tǒng)中，如果一個節(jié)點發(fā)生故障（死機），往往會使得整個通信系統(tǒng)的框架崩潰，而且給故障排查帶來困難。

　　3、由于現(xiàn)場總線上的各種高壓信號干擾，在長距離的傳輸中必須采取隔離措施，隔離器的性能也真接影響RS485的通信質量。

工業(yè)現(xiàn)場經常要采集多點數據，模擬信號或開關信號，一般用到RS485總線，使用一主帶多從的通信方式，該種方式接線方便只需要兩根屏蔽電纜線，通信距離遠大可支持1500m，加中繼器還可延長通信距離，采用差分信號方式抗電磁干擾好。但該方式通信速度不能太快，一般采用主從召喚的方式采集各子單元的數據，即主單元依次召喚各子單元（見圖1），召喚到哪個單元哪個單元上傳數據，總線的使用權*由主單元分配，各子單元不能擅自占領總線。如果系統(tǒng)的單元多，主單元循環(huán)采集一周的時間就很長，子單元信息變化時不能及時發(fā)送給主單元，導致系統(tǒng)對突變事件的反應處理速度慢。本文通過總線狀態(tài)檢測、從機主動上發(fā)的方式解決。

圖1 常規(guī)RS485總線主從方式接口圖

　　硬件設計

　　整個系統(tǒng)由主單元和多個子單元組成（圖2），主單元包括：ARM7微控制器、程序存儲器、數據存儲器、與子單元通信RS485、與主單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源；子單元包括：MSP430單片機、與子單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　主單元

　　ARM微控制器是主單元的核心，采用三星32位ARM7TDMI內核芯片S3C44B0，該芯片高處理速度可達76MHZ，總線開放，可外擴程序存儲器FLASH和數據存儲器SDRAM，該系統(tǒng)外擴了SST公司生產的39VF1601和現(xiàn)代生產的HY57V641620HG，2個UART串行接口，使用ADI的隔離RS485芯片ADM2483進行接口電平轉換，總線狀態(tài)檢測使用74HC125三態(tài)門芯片。

　　子單元

　　子單元的微控制器使用TI的MSP430F133單片機，該單片機處理速度可達8MHz，8K字節(jié)片內FLASH存儲，256K字節(jié)片內SRAM。

　　電源電路

　　電源電路采用開關電源供電，開關電源輸入電壓范圍比較寬，輸出直流電壓5V，通過SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片輸出3.3V電源。RS485需要的隔離5V電源通過DC-DC模塊得到。

　　總線檢測電路

　　總線狀態(tài)檢測使用74HC125三態(tài)門芯片和單片機的兩個I/O（圖3），當系統(tǒng)都不使用總線時，每個單元的74HC125都輸出高阻狀態(tài)，此時總線為低電平，當有單元要使用總線時，他首先檢測總線狀態(tài)，如果總線為低電平，該單元迅速把74HC125改為輸出狀態(tài)，此時總線變?yōu)楦唠娖?，該單元占領總線，往總線上發(fā)送數據，發(fā)送數據完成再把74HC125改為高阻狀態(tài)。如果檢測到總線是高電平，等待檢測，直到總線變低后再占領總線。

圖3 總線檢測電路

　　隔離485電路

　　使用ADI的ADM2483芯片進行接口電平轉換（圖4），該芯片屬于隔離485，雙電源供電輸入輸出隔離。

圖4 隔離485電路

　　軟件設計

　　主機程序部分需要實現(xiàn)各從機上傳數據的接收、處理和上傳。主機接收子單元信息通過一個RS485串口實現(xiàn)，數據格式為16進制，數據位8位，1 個起始位，1個結束位，無寄偶校驗位，波特率9600bps。采用串行口中斷的方式接收，主機程序初始化完成后等待各從機發(fā)送信息，當主機接收到*個字節(jié)后，判斷該字節(jié)是否為設備號，如果不是設備號，接收個數清零，如果是設備號繼續(xù)接收第二個字節(jié)；判定第二個字節(jié)是否為正確的功能碼，如果功能碼錯誤，接收個數清零重新接收，功能碼正確；接收第三個字節(jié)，該字節(jié)為從單元發(fā)送信息的字節(jié)個數x，計算從單元發(fā)送總字節(jié)個數為M=X+3+2,3個開頭字節(jié)和2個 CRC校驗碼，主機接收到M個字節(jié)后，首先判斷CRC校驗碼是否正確，錯誤舍棄所有信息，正確則把從單元的信息保存到數據區(qū)，該次接收結束，主機繼續(xù)等待接收。

　　信息的上傳通過一個RS232串口實現(xiàn)。當主機接收到從機信息后，進行數據的處理，發(fā)現(xiàn)從單元信息發(fā)生變化，主機準備把從機信息發(fā)送到上位機，首先重新初始化發(fā)送緩沖區(qū)，然后通過中斷的方式依次發(fā)送信息到上位機，發(fā)送信息包括設備號、功能碼、發(fā)送字節(jié)個數、信息字節(jié)和CRC校驗碼。

　　主機單元接收數據流程圖示于圖5。