嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)RS485的方向切換
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RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性能、長傳輸距離和多站能力等特點(diǎn)，使其成為工業(yè)控制的首選串行接口。嵌入式系統(tǒng)中也廣泛采用RS485接口作為設(shè)備控制的串行接口。RS485采用兩線差分的接線方式進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的傳輸。由于發(fā)送和接收都是采用這兩根差分線進(jìn)行，因此它是半雙工工作模式?；赗S485的特點(diǎn)，分別講述了通過硬件方式和軟件方式來實(shí)現(xiàn)RS485發(fā)送和接收方向的切換，重點(diǎn)解決了DM8168嵌入式平臺(tái)上軟件實(shí)現(xiàn)RS485方向切換的功能。
RS485總線是工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的技術(shù)，是現(xiàn)代通信技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS485總線用于多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實(shí)現(xiàn)，采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，在接收端接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。根據(jù)RS485標(biāo)準(zhǔn)，傳送數(shù)據(jù)速率達(dá)100 kb/s時(shí)通信距離可達(dá)1200 m.
RS485在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。嵌入式系統(tǒng)可以通過RS485接口來控制終端設(shè)備。由于RS485是半雙工模式，因此發(fā)送和接收的方向切換需要我們的關(guān)注和研究。如果方向切換方式選擇不好可能會(huì)導(dǎo)致RS485驅(qū)動(dòng)能力下降、軟件執(zhí)行效率下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)異常等問題。
本文分別給出硬件實(shí)現(xiàn)RS485方向切換和軟件實(shí)現(xiàn)RS485方向切換兩種方式。兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)，硬件方式控制起來比較簡單。軟件方式的驅(qū)動(dòng)能力更好，但是和嵌入式平臺(tái)關(guān)系比較密切，不同的平臺(tái)都需要調(diào)試和驗(yàn)證。
1硬件方式控制RS485方向
圖1所示為硬件控制RS485的電路圖。電路中使用2N7002LT1G MOS場效晶體管把UART_TXD_485這個(gè)MCU輸出的RS485發(fā)送信號邏輯取反后送給RS485芯片的RE/DE PIN腳?？刂频脑硎牵?dāng)UART_TXD_485輸出低電平時(shí)RS485芯片的DE使能；輸出高電平時(shí)RE使能。默認(rèn)情況下UART_TXD_485是高電平，RS485芯片處于接收狀態(tài)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，UART_TXD_485上面有高低電平信號變化，低電平信號通過RS485芯片SP3072EENL/TR直接輸出，高電平信號通過外部上下拉電阻來控制。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，軟件不需要做額外的工作，控制RS485像控制RS232一樣。但是這種方法的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)能力可能不足，由于這種控制方法沒有完全發(fā)揮出RS485驅(qū)動(dòng)芯片自身的驅(qū)動(dòng)能力，輸出信號依賴于外部上下拉電阻，因此在復(fù)雜環(huán)境下，譬如很多負(fù)載需要控制時(shí)，就會(huì)存在驅(qū)動(dòng)能力不足的問題。但是在一些簡單的環(huán)境或者軟件實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的平臺(tái)下，使用這種方法還是切實(shí)可行的。
圖1硬件控制RS485電路圖
2軟件方式控制RS485方向
2.1驅(qū)動(dòng)能力分析
在復(fù)雜的RS485控制環(huán)境下，用上面介紹的硬件方式來控制RS485的方向會(huì)存在比較突出的驅(qū)動(dòng)能力不足的問題。修改上述控制方法，將TTL這一側(cè)的2線控制改為3線控制，就是將收發(fā)控制信號不用當(dāng)前的/TXD來控制，而從主控分出一根GPIO線來控制收發(fā)。
按照輸出電流計(jì)算，3線控制方式相對用2線控制的總線上下拉作為輸出的方式，其驅(qū)動(dòng)能力提高了25~50倍（不同廠家不同型號有差異），如果輔以終端電阻靈活配置的措施，RS485的驅(qū)動(dòng)能力將完全不是問題。表1是兩種控制方式驅(qū)動(dòng)能力的對比。
2.2軟硬件環(huán)境
圖2軟件控制方法中的硬件設(shè)計(jì)
軟件控制方法采用圖2的硬件設(shè)計(jì)，圖中很突出的修改是使用MCU的GPIO來控制RE和DE.RS485芯片的供電采用5 V供電，提高驅(qū)動(dòng)能力。RS485芯片的RE和DE控制使用MCU的GPIO輸出高低電平來控制。簡單來說就是，在RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過GPIO來控制傳輸方向。這里采用的MCU是TI公司的DM8168處理器來實(shí)現(xiàn)軟件的RS485切換功能。軟件版本使用UBoot2010.06和linux2.6.37.用軟件來實(shí)現(xiàn)RS485的收發(fā)，盡量要保證執(zhí)行效率；要達(dá)到上面的目的就需要對串口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)試，使用串口驅(qū)動(dòng)用到的軟件資源和串口控制器本身的硬件資源來實(shí)現(xiàn)RS485的控制。
表1軟件和硬件控制方式驅(qū)動(dòng)能力的對比
2.3 UBoot代碼修改
需要修改的文件：
①board/ti/ti8168/evm.c
②drivers/serial/ns16550.c
③include/configs/ti8168_evm.h
ti8168_evm.h文件中增加切換宏定義：
#define CONFIG_RS485_DIR_SW 1
evm.c文件中增加切換函數(shù)：
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串口驅(qū)動(dòng)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
……//此處代碼省略
#ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW
while（（serial_in（UART_LSR_TEMT）== 0）
rs485_dir_sw（0）；
#endif
}
其中UART_LSR_TEMT表示發(fā)送BUF和移位寄存器為空。默認(rèn)情況下RS485是接收狀態(tài)，一旦要發(fā)送數(shù)據(jù)，就把RS485切換為發(fā)送狀態(tài)。發(fā)送完數(shù)據(jù)后，等待發(fā)送BUF和移位寄存器為空，然后切換回接收狀態(tài)，這里無需使用timeout。
2.4 Linux代碼修改
需要修改的文件：
①arch/arm/machomap2/bordti8168evm.c
②drivers/serial/omapserial.c
③include/linux/serial_core.h
serial_core.h文件，uart_port結(jié)構(gòu)體中增加set_rs485_direction函數(shù)指針，用于執(zhí)行RS485的方向切換void（*set_rs485_direction）（int rs485_dir）；原本考慮在uart_ops結(jié)構(gòu)體中增加的，但是這個(gè)結(jié)構(gòu)體是常量類型，對它不作改動(dòng)，因此加到了uart_port結(jié)構(gòu)體中。在該文件中添加相關(guān)宏定義和函數(shù)指針類型用于函數(shù)注冊：
#define SET_RS485_RX0
#define SET_RS485_TX1
typedef void（*set_rs485_direction_t）（int rs485_dir）；//用于函數(shù)注冊
omapserial.c文件主要做了如下幾點(diǎn)改動(dòng)：
①添加omap_rs485_dir_fun全局的函數(shù)指針。
static set_rs485_direction_t omap_rs485_dir_fun[OMAP_MAX_HSUART_PORTS]={NULL， NULL， NULL， NULL， NULL， NULL}
②外部驅(qū)動(dòng)利用omap_rs485_dir_fun_reg注冊函數(shù)對omap_rs485_dir_fun進(jìn)行賦值。
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）；
③serial_omap_probe函數(shù)中對控制程序中用到的up->port.set_rs485_direction進(jìn)行賦值。
up->port.set_rs485_direction= omap_rs485_dir_fun[pdev->id]；
④默認(rèn)情況下RS485處于接收狀態(tài)。
⑤serial_omap_enable_ier_thri函數(shù)中把RS485切換為發(fā)送狀態(tài)。
static incline void serial_omap_enable_ier_thri（struct uart_omap_port *up）{
if（?。╱p->ier UART_IER_THRI））{
/* rs485 dir change to tx */
if（up->port.set_rs485_direction ！= NULL）
up->port.set_rs485_direction（SET_RS485_TX）；
……//此處代碼省略
}
}
⑥serial_omap_stop_tx函數(shù)中把RS485切換為接收狀態(tài)。
static void serial_omap_stop_tx（struct uart_omap_port *port）{
……//此處代碼省略
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）；
}
}
⑦transmit_chars更改一下，原先的代碼是當(dāng)沒有更多的字符要發(fā)送（環(huán)形緩沖為空）時(shí)需要關(guān)閉發(fā)送中斷，這時(shí)串口控制器發(fā)送BUF和移位寄存器中還是有數(shù)據(jù)的，這些數(shù)據(jù)串口控制器自動(dòng)發(fā)送完成后才算結(jié)束，由于已經(jīng)關(guān)閉了發(fā)送中斷，因此發(fā)送結(jié)束后就沒有中斷產(chǎn)生了。但是RS485切換方向需要等到完全發(fā)送完成后才能進(jìn)行。因此對transmit_chars函數(shù)做了修改。調(diào)用serial_omap_stop_tx函數(shù)前判斷發(fā)送BUF和移位寄存器是否為空，如果為空就可以切換方向了。簡而言之，延后了發(fā)送中斷的關(guān)閉時(shí)間。
static void transmit_chars（struct uart_omap_port *up）{
……//此處代碼省略
if（uart_circ_empty（xmit）|| uart_tx_stopped（{
if（up->port.ops->tx_empty（
return；//added for last transmit
serial_omap_stop_tx（
return；
}
……//此處代碼省略
if（uart_circ_empty（xmit））{
if（up->port.ops->tx_empty（
return；//added for last transmit
serial_omap_stop_tx（
}
}
⑧arch/arm/machomap2/boardti8168evm.c文件在ti8168_evm_init函數(shù)中調(diào)用omap_rs485_dir_fun_reg函數(shù)注冊RS485切換函數(shù)。
2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
上述軟件修改有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不增加硬件開銷；不增加和使用任何硬件資源；不增加軟件開銷；不影響軟件執(zhí)行效率；硬件控制是電信號控制，方向切換和TX綁定；軟件控制是整個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)完成發(fā)送后再進(jìn)行方向切換，控制實(shí)現(xiàn)上更加合理。
對軟件切換RS485做了基本的測試，情況如下：
①控制臺(tái)操作。整個(gè)啟動(dòng)打印信息正常。UBoot和Kernel下控制效果和硬件控制一樣，可以很流暢地進(jìn)行命令的輸入和回顯，串口終端增加輸入字符間的延時(shí)后可以進(jìn)行配置的粘貼。內(nèi)核在115 200和38 400下分別進(jìn)行測試OK.
②內(nèi)核下加大負(fù)責(zé)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的發(fā)送。增加負(fù)載，開多個(gè)ping包進(jìn)程（產(chǎn)生大量中斷）、Nand Flash的操作、CPU占有率接近100%條件下，通過RS485輸出大量數(shù)據(jù)，沒有亂碼，校驗(yàn)OK.
③極高的實(shí)時(shí)性。
由于本文給出的軟件實(shí)現(xiàn)方式是基于Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的，因此很好地保證了方向控制的實(shí)時(shí)性。實(shí)際結(jié)果顯示，DM8168數(shù)據(jù)發(fā)送完成到產(chǎn)生方向控制信號之間的時(shí)間在25μs左右，幾乎可以忽略不計(jì)。而有些設(shè)計(jì)在用戶空間使用應(yīng)用程序進(jìn)行方向切換的方法會(huì)導(dǎo)致20 ms以上的延時(shí)，導(dǎo)致了一系列異常問題的產(chǎn)生。
結(jié)語
本文詳細(xì)描述了RS485方向控制的硬件和軟件兩種實(shí)現(xiàn)方式。兩種控制方式各有特點(diǎn)，硬件控制方式實(shí)現(xiàn)簡單，不需要軟件干預(yù)，對軟件而言RS485串口收發(fā)就像RS232一樣簡單。軟件控制方式可以極大地提高整個(gè)RS485線路的驅(qū)動(dòng)能力，本文給出的基于Linux內(nèi)核的控制方法又很好地保證了RS485方向切換的實(shí)時(shí)性，滿足了實(shí)用性要求。這兩種方式在很多場合已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用和驗(yàn)證。特別是軟件實(shí)現(xiàn)方式，可以擴(kuò)展到更多的應(yīng)用場合，譬如復(fù)雜的多主、多從的RS485使用環(huán)境，軟件控制可以根據(jù)自己的需求來實(shí)現(xiàn)整個(gè)RS485線路不同的數(shù)據(jù)流向，可以規(guī)避某個(gè)設(shè)備對RS485鏈路上異常信號的干擾，給實(shí)際應(yīng)用帶來了很多的便利性。
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