在嵌入式系統中，多個孤立節點之間的通信越來越重要，尤其是物聯網時代的到來，多節點間通信已經成為必不可少的功能。由此出現了許多通信手段，如RS-232、RS-485、CAN總線、ZigBee等，綜合考慮性能和成本，RS-485通信無疑是性價比最高的通信方式。因此探究高效、實用的多機通信方案具有重大的意義。

1 系統框圖
RS-485多機通信結構圖如圖1所示。若干個RS-485節點通過總線連接，由網關節點輪詢訪問索要數據，每個網關節點可以動態地配置IP地址，以便上位機可以通過以太網控制網關節點，從而獲得每個RS-485終端節點的數據。圖1中C節點為控制節點，具有RS-485通信功能，T節點為網關節點，除了RS-485功能外，還具有以太網功能，其作用就是將C節點的數據通過以太網功能傳送給上位機。

2 硬件設計
本文采用新唐科技公司的Cortex-M054探究RS-485多機通信協議。Cortex-M054有兩個UART，均可以配置成RS-485模式，此時Cortex-M054通過RTSX引腳自動控制RS-485通信方向。
RS-485通過差分傳輸，A和B兩根信號線鉸鏈在一起來抵消各自的干擾。當A、B信號的電壓差大于200mV時，視為邏輯1；當B、A信號的電壓差大于200 mV時，視為邏輯0。
RS-485硬件原理圖如圖2所示。整套RS-485電路獨立供電，通過光電耦合器TLP781B+，與系統其他部件分開，以此來隔離干擾。和CAN總線相同，在機群的兩端(第一個節點和最后一個節點)，必須加上匹配電阻，吸收反射信號，大小為75 Ω左右。中間節點則不需要如此，因此留出了R1的位置，當節點位于機群兩端的時候，則焊接上R1，這種方式大大地增強了電路的靈活性。

考慮電路的安全性，添加了TVS管，從而達到抗雷擊的效果。熱敏電阻相當于自恢復的保險絲，當電流過大時，它的阻值會變大，起到保護電路的作用。

3 軟件協議
3．1 協議格式
Modbus協議按功能可以劃分為：地址碼、功能碼、數據碼、CRC校驗碼。而在RTU方式下，采用CRC循環冗余校驗，具體格式如圖3所示。

Modbus協議長度根據用戶需求自己設定，地址碼標識終端地址，即和網關節點通信的從機地址。功能碼則是主機告訴從機要執行什么功能。數據碼長度由用戶自己確定，最后根據前3個功能字段，生成兩個字節的CRC校驗碼，用來驗證前面的字段是否存在傳輸錯誤。
3．2 CRC生成算法
CRC算法分為靜態和動態兩種，靜態的適合片內RAM非常有限的MCU，而動態的適合RAM空間相對比較寬裕的MCU。CRC校驗碼生成步驟如下：
①初始化寄存器內容為0xffff。
②提取第一個字節數據和寄存器內容相異或。
③檢測最低有效位(LSB)，如果LSB為1，寄存器單獨和預置值異或；如果LSB為0，則不進行任何操作，然后將結果向LSB方向移動，最高有效位以0填充。
④重復第③步8次，直到最后一位(第8位)完成。
⑤提取下一個8位字節，重復步驟③、④的操作，等待所有字段都執行完，最終寄存器中的值就是所求的CRC校驗碼。
上述步驟中，如果預置值在整個過程中不變，則為靜態的CRC校驗；在動態的CRC校驗中，存在一個動態表，預置值每次都根據動態表變化，所以準確性更高，而動態表要開辟一個較大的空間來存儲。所以，根據MCU的RAM大小決定使用動態校驗還是靜態校驗。算法結束后，寄存器中存人的就是前N個字節的CRC校驗碼，運用該算法，不需要事先知道協議的整體長度，最后都同樣生成兩個字節長度的校驗碼，故可移植性好、通用性強。
3．3 自動地址識別模式通信
自動地址識別模式是RS-485經典模式，通過設置Cortex-M054的狀態寄存器，可使UART工作在此模式下。節點在接收到地址字節時，判斷地址字節數據是否與UA_ALT_CSR[ADDR_MATCH]值相匹配，如果匹配，表示網關節點要與此終端通信，故接收下面網關節點發送的所有數據字節。同時，地址字節和數據字節都會被存入UART的FIFO中，否則忽略所有字節，既不產生中斷，也不存入FIFO，直到匹配。
串口通信中由起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位4部分組成。當奇偶校驗位為0時，表示傳輸的是數據字節；當它為1時，表示傳輸的是地址字節。Cortex—M054的UA_ALT_CSR是一個32位的寄存器，其ADDR_MATCH用8位來表示，故自動地址識別模式最大從機數只支持256個節點。它的優點是：由于RS-485所有從機掛載在一根總線上，故網關節點發送數據時，只有地址與自己匹配的節點才會響應，其他節點可以正常執行自己原先的任務而不被打擾，系統整體效率高。缺點是從機只能被主機輪詢時才能發送信息，不能主動和主機通信；一個總線上只能掛載256個節點。

3．4 普通模式通信
普通模式可以配置為接收所有數據，也可以選擇性地忽略數據，直到接收到地址字節。為了更加靈活地利用協議通信，將其設置為接收所有數據，即只要網關節點向總線發送數據，那么總線上的所有節點都會收到數據，再根據協議解析內容執行相應的動作，接地流程圖如圖4所示。

Cortex—M054內部有4 KB的Data Flash給用戶存儲數據，故將節點的地址存入Flash中。當系統上電復位后，先從Flash中讀出節點的地址，存入全局變量address中。當收到數據包之后，進行CRC校驗，如果正確就接收，再根據協議解析地址地段，其值與address比較，以此判定此包是否屬于自己。
自動地址識別模式是由芯片自動篩選地址，而此處需要軟件判斷。因此，地址長度可以由用戶自己設定。

3．4．1 數據混亂
上述方法存在數據混亂的隱患。如果網關節點與終端節點通信過程都是用N個字節進行，那么不會出現數據紊亂問題。但若假設網關節點發送命令用N個字節，而終端節點向網關節點回復數據時，用M(M>N)個字節，此時總線上的其他終端節點都會收到這M個字節。此時，會認為是網關節點發出的，所以只解析前N個字節的數據，那么在FIFO中就剩下了(M—N)個字節，即此時FIFO中并不為空。若網關節點此時再與其他任意一個終端節點通信時，程序會默認先讀出殘留的(M—N)個字節數據，就會造成數據紊亂，網關節點再難與其他節點正常通信。
解決方法是在每次有數據進入FIFO中后，觸發中斷，將所有的數據都讀出，而只解析前N個字節。因為在整個RS-485系統中，只有網關節點才能與終端節點通信，各個終端節點之間不可以通信，而網關節點與終端節點通信是N個字節。一次讀空FIFO的目的就是清空FIFO中的無效數據。
3．4．2 改進型RS-485協議
RS-485通信的最大缺點就是主從式的通信方式，從機只有在收到主機的命令后才可以與之通信。而CAN總線的每個節點可以在任意時刻接收和發送數據，通過其仲裁體制，避免數據沖突，但是CAN總線的成本相對較高，對于實時性和安全性要求不高的場合，不適宜用CAN總線通信。
借鑒CSMA／CD協議，本文提出改進型的通信方式。設置全局變量nesting，如果進入一次RS-485中斷，則nesting加1。在終端需要向網關節點發送數據時，置nesting為0，延遲(address×10)ms；如果總線上沒有數據通信，nesting為0，此時節點可以主動向網關節點發送數據；否則，表示總線上繁忙，則繼續延遲(address)ms。
嘗試K次，K的大小根據用戶需求設定。若此終端節點已經在網關節點的輪詢范圍之內，終端向網關發送的數據為緊急事件包，則K的值應該盡量小；若主動發送失敗，可以等待節點被輪詢之時，再將此數據發送出去。若此終端節點不在網關節點的輪詢范圍之內，是新加入的節點，則主動發送信息的目的是告訴網關，自己是新節點，需要加入總線系統中，此時K值應該盡量大，以保證新節點能夠不在上位機的協助下，自動地加入總線系統中，提高系統的靈活性。終端發送流程圖如5所示。

網關節點不能輪循完一遍之后，又立即進行下一次輪詢。這樣，總線上一直都會是忙碌狀態。網關節點必須在輪詢完一次之后，暫停L秒，這個空隙時間就是留給終端主動向網關發送數據。L不宜過大，否則會大大降低系統整體效率，L的選取與系統共有多少終端節點且每個終端節點與網關節點通信時間有關。
使用普通模式進行通信，優點是RS-485通信應用靈活，可以支持更多的節點掛載在總線上；可以改進RS-485通信方式，自動地址識別模式無法監聽總線是否繁忙。缺點是各個節點的工作量增大，將頻繁解析指令，系統整體效率降低。

結語
在使用RS-485方式通信時，選取哪種方式進行通信，需要根據不同場合而定。傳統的自動地址識別模式，適用于嚴格的主從通信系統，可靠性高，系統整體效率高；而普通模式靈活性較好，但是系統整體效率會降低。所以，要因地制宜，選擇當前場合最適合的方式。