基于RS-485總線的可擴展局域網絡的研究

　1 RS-485總線通信的特點

　　RS- 485是在RS-422的基礎上發展起來的，能實現一點對多點的通信，也能實現多點雙向通信，但同一時刻只能有一個發送器，其余的為接收器，即一主多從的通信方式。目前市場上可供選擇的RS-485總線芯片很多，其中包括可支持128個節點的MAXl487和支持400個節點的SP485R。利用該類芯片可直接組成簡單的通信網絡。

　　RS-485收發器采用平衡發送、差分接收的方式，即在發送端將TTL信號轉換成差分信號輸出，在接收端，接收器將差分信號轉換成TTL信號。因此具有較高的共模抑制能力。同時接收器具有較高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，數據傳輸可達 1 200m。如降低數據傳輸速率，則通信距離可更長。當通信速率為1 200bps時，理論上通信距離可達15km。當傳輸距離超過300m時，在網絡的二端需接入120Ω的匹配電阻，以減少因阻抗不匹配而引起的反射，吸收噪聲，從而有效抑制噪聲干擾。MAXl487的接口電路示意圖如圖1所示。

　　2網絡結構及實施方案

　　在實際應用中，RS-485總線芯片本身所擁有的節點數已不能滿足需求，而往往需要一個接點龐大的復雜局域網絡（如幾千甚至幾萬個節點）來完成。連接在該網絡中的各類設備能相互通信，并且可以在一定節點數范圍內根據實際需要任意擴展，并做到即插即用。管理人員通過隨身攜帶的筆記本電腦，接入網絡中的任一接點，可了解整個網絡的運行情況。結合用戶應用程序，管理人員還可獲得連接于該網絡上相關設備的運行數據。

　　針對以上要求，局域網絡必須由多片具有RS-485總線的芯片連接而成。本文討論節點數≤32768點的局域網絡，使用MAXl487作收發器。根據RS-485總線的特點；在任一時刻，整個網絡只允許有一個發送器，其余的必須處于接收狀態。而接入網絡中的設備隨時可能有多個設備同時傳輸數據的要求，如不進行協調，就會出現總線競爭現象，使總線電子紊亂，整個網絡無法工作。

　　將一片MAXl487所能連接的128個節點作為一個子網，整個局域網絡由若干個子網組成。所有節點不直接和用戶設備相連，而是通過一個節點模塊和設備連接。這是一種二端帶通信口的智能化模塊，內帶一個單片機系統，用于執行局域網絡通信協議，負責BS-485總線和設備間的通信，同時參與整個局域網絡的通信協調工作。模塊的一端為RS-485總線，用于連接網絡，另一端是RS-232總線（或TTL電平）與用戶設備、儀器儀表或智能傳感器連接。

　　子網中每個節點模塊都有自己的地址，用1個字節表示，即 00H～7FH。而在整個局域網絡中，每個子網也有自己的子網地址，也用1個字節表示，即00H～FFH。這樣，在整個局域網絡中每個節點就有自己惟一的用2個字節的二進制數表示的地址，類似Internet中的IP地址，其地址格式如圖2所示。以00H子網05H節點為例，其中的"X"為無效位

　　規定每個子網中的地址為00H和7FH的2個節點為特殊節點。地址為00H的節點是該子網的管理者，協調子網中的通信，同時也是該子網的一個數據出入口，和上一個地址為7FH的節點連接。地址為7FH的節點為該子網的另一個數據出入口，負責和下一個子網中地址為00H的節點連接。這表示子網之間是由2個背靠背的節點模塊通過RS-232總線相連的。

　　這2個背靠背的節點模塊又是子網之間的中繼站。同時還規定00H子網的00H節點，即地址為"00000000·00000000"的節點為整個網絡的最高管理者。局域網絡宜采用拓撲結構，以提高網絡運行效率，而鏈式結構可增加網絡的通信距離。RS-485總線構成的局域網絡結構示意圖如圖3所示（以00H、01H 2個子網為例）。

　　3節點模塊的設計

　　該局域網絡的關鍵是節點模塊的設計。這也是本局域網絡的特色所在，其中軟件設計至關重要。節點模塊主要完成網絡的管理和通信。為了使模塊具有通用性，所有節點模塊具有相同的結構和軟件，只要按照網絡協議選擇好正確的地址，任一模塊都可相互替換。網絡中沒有專門的網絡服務器，任意一個節點模塊都具有服務器的功能。哪個節點模塊充當服務器是由其自身的地址決定的，因此節點模塊軟件應該具有自動識別地址的功能，以確定自己在網絡中的位置和角色。例如，當檢測到自身的地址是"00001010·×0000000"時，就知道自己是0AH子網中的OOH節點，并且是該子網中的管理者；當檢測到自身地址是"00000000·×0000000"時，就知道自己是整個局域網絡的最高管理者。節點模塊地址可由用戶自行設定。

?　　為了實現即插即用功能，最高管理者必須定時向整個網絡廣播，以便收集網絡的運行情況（如是否有新節點加入，是否有節點從網絡上退出等）并形成網絡狀態注冊表，根據實際情況實時刷新。任何節點都可以向最高管理者取得該注冊表，以便管理人員從任一節點上獲得網絡運行狀態。

　　網絡空閑時，最高管理者不斷地向整個網絡發出詢問，監視是否有數據通信要求。子網內部的數據通信由該子網的管理者（節點地址為00H）協調，只有跨子網傳輸數據時，最高管理者（子網地址為00H，節點地址也是00H）才會干預。節點模塊中有8KB的SRAM作為數據緩沖區，另外有2KB的E2PROM用于保存注冊表等信息。單片機的串行通信口既要完成RS-485總線的通信，又要完成由RS-232總線到設備的通信，所以必須有通信口切換功能。平時單片機的串行通信口總是與RS- 485總線相連，只有當設備需要傳輸數據時才切換到RS-232總線，所以系統還必須有對設備通信請求的檢測功能。限于篇幅，軟件具體編程在此不作敘述。節點模塊的結構如圖4所示。

　　4總 結

　　理論上該局域網絡對節點的擴展沒有限制，但考慮到RS-485總線通信速度的限制，因此網絡規模不宜過大。由前面的結構分析可知，網絡的可靠性取決于子網。由于各子網間不會產生串擾，因此網絡的可靠性不會隨網絡的規模擴大而降低。這是一個通用的局域網絡，適合任何需要RS-485總線通信的場合，因此實用性非常強。