2023年02月02日 | 基于ARM9嵌入式的RS485总线接口设计

随着ARM处理器应用的范围的不断深入，根据需求的不同ARM提供的外设也越来越丰富，常用的通信接口有RS232、RS485、CAN、以太网等。RS485总线凭其传输距离远、抗干扰能力强、价格低廉等优点在各种工业场合得到广泛的应用。设计使用ARM9处理器S3C2440内部集成的UART外设和RSM485模块构建具有电源隔离、电气隔离、总线保护的RS485总线接口，通过对嵌入式Linux系统RS232驱动程序的修改，使的在通过该修改后的串口驱动程序发送数据时，自动控制IO来实现RS485通信的方向控制，从而简化了RS485通信的控制流程，Linux下RS485通信程序通过对该串口的读写，实现与RS485总线上的其他设备通信。

1.通信接口的硬件设计

S3C2440处理器片内集成了丰富的外设资源，可以方便的实现嵌入式应用中的各种接口通信。设计中用到了Samsung-ARM9-S3C2440，其片内集成的3个UART，在设计中UART0用于嵌入式Linux操作系统的控制台(console)接口，UART1作为RS232接口与其他RS232接口设备通信，UART3用作RS485的数据通信接口。由于ARM9处理器的IO电平与RS485的电气标准不同，RS485采用差分信号负逻辑，+2~+6V表示“0”，-6~-2V表示“1”。为了达到RS485总线的电气特性标准，所以必须要外接电平转换芯片[1，3-5]，同时考虑工业应用环境恶劣等因素，需要考虑RS485总线的电源隔离、电气隔离、总线保护等因素，设计中用到广州周立功的RSM485模块。

RSM485隔离收发器模块，是集成电源隔离、电气隔离、RS485接口芯片，总线保护器件于一身。该模块采用灌封工艺，具有很好的隔离特性，隔离电压高达2500VDC，最多支持400个节点，最高通信波特率115200。

图1为系统中利用S3C2440中的UART2实现半双工的RS485总线的原理图，在同一时刻里数据只能往一个方向传输。其中的引脚CON为接收、发送控制脚，现在将其与S3C2440的IO引脚相连，由该引脚的电平控制芯片数据的方向。要发送数据时将其置0，接收数据时将其置1。

图1S3C2440-485接口

2.软件设计

2.1RS485通信设计

图2中首先打开驱动部分针对RS485通信修改过的串口2，设置其串口参数，此时串口2处于RS485总线接收模式，然后向总线上第一个设备节点发送数据读取指令，完成select函数调用图1S3C2440-485接口初始化后，select函数根据用户设定的超时时间，等待设备返回数据，若select函数返回异常，则重新进行初始化，若在设定时间内，未接受到从设备的数据，select函数返回超时，则重设下一从设备节点等待超时时间，并发送下一设备数据读取指令，重新进入select等待设备返回数据;若在设定时间内，接到从设备返回数据，则从串口接收缓冲读取数据，并完成用户协议数据解析，完成一次主从设备的数据通信，然后轮询到下一设备。

图2RS485通信软件流程

2.2RS485驱动设计

设计中使用ARM9处理器S3C2440内部集成的UART外设和RSM485模块构建而成，其驱动程序与RS232驱动程序相比多了一个通信方向控制引脚的控制，所以在Linux操作系统中，完全可以借助内核的串口驱动添加方向控制IO相关代码即可实现[4，6，7]。在linux2.6.32内核源码中，串口驱动相关代码在文件linux-2.6.32.2/drivers/seria/samsung.c中，为了实现RS485的通信，修改部分主要包括3个部分：

(1)在串口驱动的初始化代码中加入RS485通信方向控制IO口设备的初始化工作，关键代码片段为：

if(port-》line==2){//如果初始化的是串口2

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPH0，S3C2410_GPH0_OUTP);//将GPG2，设为输出功能

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPH0，0);//设为高电平，使串口启动时处于接收数据状态。

RS485方向控制IO口初始化使用到了2个内核函数(在arch/arm/plat-s3c24xx/gpio.c)，其函数原型为：

voids3c2410_gpio_cfgpin(unsignedintpin，unsignedintfunc-TIon)

此函数的功能是设置引脚的功能，参数pin是要设置的引脚，对应着是GPH0也即是S3C2410_GPH0引脚，参数funcTIon是要设置引脚的功能，设置中用到的是输出功能，所以该值是S3C2410_GPH0_OUTP.

voids3c2410_gpio_setpin(unsignedintpin，unsignedintx)

此函数的功能是设置引脚的输出值，参数pin是要设置的引脚，参数x是要设置引脚的输出值0或者1.

(2)在串口数据开始发送前，将方向控制IO置0，使的RSM485处于发送状态，关键代码片段如下：

if(port-》line==2){s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPH0，1);//设为低电平，使串口启动时处于接收数据状态。

udelay(30);//等待方向IO控制脚状态稳定}

在设置方向控制IO口状态后，加入一定延时，等待方向IO控制脚状态稳定，避免出现由于方向控制状态不稳定导致发送数据出错。

(3)在串口数据发送完成后，自动进入到数据接收模式，关键代码片段为：

if(port-》line==2){

while(!(rd_regl(port，S3C2410_UTRSTAT)&0x04));//等待串口发送完成，这句千万不能少

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPH0，0);}

由于S3C2440处理器自带串口带有硬件缓冲区，串口驱动中，数据发送完成是指数据已有驱动程序全部写入到发送缓冲中，但此时串口数据并为正在发送出去，所以必须等待数据完全发送完成后，再将方向控制IO口置1。

2.3Linux下RS485通信编程

RS485驱动程序修改完成后，可以像操作串口一样操作RS485接口。在嵌入式Linux系统下，串口的设备文件位于/dev目录下，可以使用文件打开、读写函数[2，8，9]直接操作RS485设备。设备打开和读写部分关键代码片段为：

intfd=open(Dev，O_RDWR|O_NOCTTY);//打开设备……

nread=read(fd，s1_buf，64);//读取设备数据……

write(fd，send_buff，6);//写入发送数据

在设计中，ARM9作为RS485通信的主控设备与个从设备进行通信，主控设备从每个从设备读取数据时，主设备先向该设备发送数据读取命令，然后设备等待从设备返回数据。所以在实际应用中，因合理设置等待从设备返回数据的等待时间。在设计中使用select函数来实现等待延时，关键代码为：

switch(select(max_fd，&fds，NULL，NULL，&TImeout))//select使用

{case-1:break;//select错误，退出程序

case0:Find_endp(&pth_endp_line1);

send_buff[1]=pth_endp_line1.index+1;

send_buff[4]=send_buff[1]+1;

write(fd1，send_buff，6);

TImeout.tv_sec=time1;

timeout.tv_usec=time2;break;//超时，再次轮询

default:if(FD_ISSET(fd1，&fds))//串口1数据

{nread=read(fd1，s1_buf，64);

if(nread》=20)

{i2c_led_set(8，1);

Value_t=myrount(Value_t，100);

Value_h=myrount(Value_h，100);

Value_p=myrount(Value_p，100);

Value_pt=myrount(Value_pt，100);

}}}//endswitch

3实验结果及应用

图3RS485接口应用

设计成功应用到环境参数采集系统中，系统中主要有采集节点、采集终端、数据服务器组成，如图3所示。采集节点负责完成气压、温度、湿度参数的采集;采集终端通过RS485总线从分个采集节点读取采集数据，并通过以太网将采集数据上报到数据服务器;数据服务器完成数据的存储，并为其他形式的应用提供应用接口。在设计中主设备循环轮询RS485总线上所有设备，每间隔1s主控设备ARM发送1次数据读取指令，读取指令中包含了从设备识别码，符合识别码的从设备立即返回采集数据。如果数据出错主设备将丢弃该数据包，等待下一次轮询，所以在通信程序设计时未考虑数据包错误重发机制。设计达到预期目标。尽管偶尔有误码出现，但设计中避免了涉及linux内核复杂代码的的修改，仍不失为有实用价值的设计方法。