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嵌入式系统应用实现RS485的方向切换

发布时间:2024-10-12 发布时间:
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RS485总线是工业应用中非常成熟的技术,是现代通信技术的工业标准之一。RS485总线用于多站互连十分方便,用一对双绞线即可实现,采用平衡发送和差分接收,即在发送端驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出,在接收端接收器将差分信号变成TTL电平,因此具有抗共模干扰的能力。根据RS485标准,传送数据速率达100 kb/s时通信距离可达1200 m。

RS485在嵌入式系统中的应用非常广泛。嵌入式系统可以通过RS485接口来控制终端设备。由于RS485是半双工模式,因此发送和接收的方向切换需要我们的关注和研究。如果方向切换方式选择不好可能会导致RS485驱动能力下降、软件执行效率下降,甚至导致系统异常等问题。

 

本文分别给出硬件实现RS485方向切换和软件实现RS485方向切换两种方式。两种方式各有优点,硬件方式控制起来比较简单。软件方式的驱动能力更好,但是和嵌入式平台关系比较密切,不同的平台都需要调试和验证。


1 硬件方式控制RS485方向


图1所示为硬件控制RS485的电路图。电路中使用2N7002LT1G MOS场效晶体管把UART_TXD_485这个MCU输出的RS485发送信号逻辑取反后送给RS485芯片的RE/DE PIN脚。控制的原理是,当UART_TXD_485输出低电平时RS485芯片的DE使能;输出高电平时RE使能。默认情况下UART_TXD_485是高电平,RS485芯片处于接收状态。发送数据时,UART_TXD_485上面有高低电平信号变化,低电平信号通过RS485芯片SP3072EENL/TR直接输出,高电平信号通过外部上下拉电阻来控制。

      

但是这种方法的缺点是驱动能力可能不足,由于这种控制方法没有完全发挥出RS485驱动芯片自身的驱动能力,输出信号依赖于外部上下拉电阻,因此在复杂环境下,譬如很多负载需要控制时,就会存在驱动能力不足的问题。但是在一些简单的环境或者软件实现较复杂的平台下,使用这种方法还是切实可行的。

      

     

图1 硬件控制RS485电路图


2 软件方式控制RS485方向


2.1 驱动能力分析


在复杂的RS485控制环境下,用上面介绍的硬件方式来控制RS485的方向会存在比较突出的驱动能力不足的问题。修改上述控制方法,将TTL这一侧的2线控制改为3线控制,就是将收发控制信号不用当前的/TXD来控制,而从主控分出一根GPIO线来控制收发。

      

其驱动能力提高了25~50倍(不同厂家不同型号有差异),如果辅以终端电阻灵活配置的措施,RS485的驱动能力将完全不是问题。表1是两种控制方式驱动能力的对比。


2.2 软硬件环境

      

     


图2 软件控制方法中的硬件设计


软件控制方法采用图2的硬件设计,图中很突出的修改是使用MCU的GPIO来控制RE和DE.RS485芯片的供电采用5 V供电,提高驱动能力。RS485芯片的RE和DE控制使用MCU的GPIO输出高低电平来控制。简单来说就是,在RS485进行数据传输时,通过GPIO来控制传输方向。这里采用的MCU是TI公司的DM8168处理器来实现软件的RS485切换功能。软件版本使用UBoot2010.06和linux2.6.37。用软件来实现RS485的收发,尽量要保证执行效率;要达到上面的目的就需要对串口驱动进行调试,使用串口驱动用到的软件资源和串口控制器本身的硬件资源来实现RS485的控制。


表1 软件和硬件控制方式驱动能力的对比

      

     


2.3 UBoot代码修改


需要修改的文件:

      ① board/ti/ti8168/evm.c

      ② drivers/serial/ns16550.c

      ③ include/configs/ti8168_evm.h

      ti8168_evm.h文件中增加切换宏定义:

      #define CONFIG_RS485_DIR_SW 1

      evm.c文件中增加切换函数:

      void rs485_dir_sw(int rs485_dir){

      if (rs485_dir ==0)

      _raw_writel(RS485_DIR_MASK, TI81XX_GPIO1_CLEARDATAOUT);

      else

      _raw_writel(RS485_DIR_MASK, TI81XX_GPIO1_SETDATAOUT);

      }

      s16550.c串口驱动文件中增加RS485方向控制:

      void NS16550_putc(NS16550_t com_port, char c){

      #ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW

      rs485_dir_sw(1);

      #endif

      ……//此处代码省略

      #ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW

      while((serial_in(&com_port->lsr) & UART_LSR_TEMT) == 0)

      rs485_dir_sw(0);

      #endif

      }


其中UART_LSR_TEMT表示发送BUF和移位寄存器为空。默认情况下RS485是接收状态,一旦要发送数据,就把RS485切换为发送状态。发送完数据后,等待发送BUF和移位寄存器为空,然后切换回接收状态,这里无需使用timeout。



2.4 Linux代码修改

需要修改的文件:

      ① arch/arm/machomap2/bordti8168evm.c

      ② drivers/serial/omapserial.c

      ③ include/linux/serial_core.h



serial_core.h文件,UART_port结构体中增加set_rs485_direction函数指针,用于执行RS485的方向切换void (*set_rs485_direction)(int rs485_dir);原本考虑在uart_ops结构体中增加的,但是这个结构体是常量类型,对它不作改动,因此加到了uart_port结构体中。在该文件中添加相关宏定义和函数指针类型用于函数注册:

      #define SET_RS485_RX0

      #define SET_RS485_TX1

      typedef void (*set_rs485_direction_t)(int rs485_dir);//用于函数注册

      omapserial.c文件主要做了如下几点改动:

      ① 添加omap_rs485_dir_fun全局的函数指针。

      statIC set_rs485_direction_t omap_rs485_dir_fun[OMAP_MAX_HSUART_PORTS]={NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL}

      ② 外部驱动利用omap_rs485_dir_fun_reg注册函数对omap_rs485_dir_fun进行赋值。

      void omap_rs485_dir_fun_reg(int port_num, set_rs485_direction_t rs485_dir_fun){

      if (port_num>=OMAP_MAX_HSUART_PORTS)

      printk(KERN_ERR “%s, port_num error max is %d, but %d \n”, __FUNCTION__, OMAP_MAX_HSUART_PORTS-1, port_num);

      omap_rs485_dir_fun[port_num]= rs485_dir_fun;

      }

      EXPORT_SYMBOL(omap_rs485_dir_fun_reg);

      ③ serial_omap_probe函数中对控制程序中用到的up->port.set_rs485_direction进行赋值。

      up->port.set_rs485_direction= omap_rs485_dir_fun[pdev->id];

      ④ 默认情况下RS485处于接收状态。

      ⑤ serial_omap_enable_ier_thri函数中把RS485切换为发送状态。

      static incline void serial_omap_enable_ier_thri(struct uart_omap_port *up){

      if (!(up->ier & UART_IER_THRI)) {

      /* rs485 dir change to tx */

      if (up->port.set_rs485_direction != NULL)

      up->port.set_rs485_direction(SET_RS485_TX);

      ……//此处代码省略

      }

      }

      ⑥ serial_omap_stop_tx函数中把RS485切换为接收状态。

      static void serial_omap_stop_tx(struct uart_omap_port *port){

      ……//此处代码省略

      if (up->ier & UART_IER_THRI) {

      up->ier &= ~UART_IER_THRI;

      serial_out(up, UART_IER, up->ier);

      /* rs485 dir change to rx */

      if (port->set_rs485_direction != NULL)

      port->set_rs485_direction(SET_RS485_RX);

      }

      }

      ⑦ transmit_chars更改一下,原先的代码是当没有更多的字符要发送(环形缓冲为空)时需要关闭发送中断,这时串口控制器发送BUF和移位寄存器中还是有数据的,这些数据串口控制器自动发送完成后才算结束,由于已经关闭了发送中断,因此发送结束后就没有中断产生了。但是RS485切换方向需要等到完全发送完成后才能进行。因此对transmit_chars函数做了修改。调用serial_omap_stop_tx函数前判断发送BUF和移位寄存器是否为空,如果为空就可以切换方向了。简而言之,延后了发送中断的关闭时间。

      static void transmit_chars(struct uart_omap_port *up){

      ……//此处代码省略

      if (uart_circ_empty(xmit) || uart_tx_stopped(&up->port)) {

      if (up->port.ops->tx_empty(&up->port)==0)

      return;//added for last transmit

      serial_omap_stop_tx(&up->port);

      return;

      }

      ……//此处代码省略

      if (uart_circ_empty(xmit)) {

      if (up->port.ops->tx_empty(&up->port)==0)

      return;//added for last transmit

      serial_omap_stop_tx(&up->port);

      }

      }

      ⑧ arch/arm/machomap2/boardti8168evm.c文件在ti8168_evm_init函数中调用omap_rs485_dir_fun_reg函数注册RS485切换函数。

      2.5 实验结果分析

      上述软件修改有如下几个优点:不增加硬件开销;不增加和使用任何硬件资源;不增加软件开销;不影响软件执行效率;硬件控制是电信号控制,方向切换和TX绑定;软件控制是整个发送缓冲区完成发送后再进行方向切换,控制实现上更加合理。

      对软件切换RS485做了基本的测试,情况如下:

      ① 控制台操作。整个启动打印信息正常。UBoot和Kernel下控制效果和硬件控制一样,可以很流畅地进行命令的输入和回显,串口终端增加输入字符间的延时后可以进行配置的粘贴。内核在115 200和38 400下分别进行测试OK。

      ② 内核下加大负责进行大数据量的发送。增加负载,开多个PINg包进程(产生大量中断)、Nand Flash的操作、CPU占有率接近100%条件下,通过RS485输出大量数据,没有乱码,校验OK。

      ③ 极高的实时性。

      由于本文给出的软件实现方式是基于Linux内核实现的,因此很好地保证了方向控制的实时性。实际结果显示,DM8168数据发送完成到产生方向控制信号之间的时间在25 μs左右,几乎可以忽略不计。而有些设计在用户空间使用应用程序进行方向切换的方法会导致20 ms以上的延时,导致了一系列异常问题的产生。

      结语

      本文详细描述了RS485方向控制的硬件和软件两种实现方式。两种控制方式各有特点,硬件控制方式实现简单,不需要软件干预,对软件而言RS485串口收发就像RS232一样简单。软件控制方式可以极大地提高整个RS485线路的驱动能力,本文给出的基于Linux内核的控制方法又很好地保证了RS485方向切换的实时性,满足了实用性要求。这两种方式在很多场合已经得到了很好的应用和验证。特别是软件实现方式,可以扩展到更多的应用场合,譬如复杂的多主、多从的RS485使用环境,软件控制可以根据自己的需求来实现整个RS485线路不同的数据流向,可以规避某个设备对RS485链路上异常信号的干扰,给实际应用带来了很多的便利性。



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