2018年02月03日 | 嵌入式系统应用实现RS485的方向切换

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。