一种RS-485总线自定义通信协议及其应用

1、一种rs-485总线自定义通信协议及其应用 摘要：rs 485总线是集散控制系统常用的组网方法，但具体的通信协议并没有一个统一的标准。本文详细 讨论-种基于rs-485总线通信协议的设计，具有可靠、编程实现简单、易扩展等特点，能够很容易地移植 到其它系统中；结合一个电力参数实时监测系统实例，介绍木协议的具体应用。关键词：rs-185通信协议集散控制系统1概述图1基于rs-485自疋乂协议的分层模型通常，一个集散控制系统由一个主控计 算机（上位机）和一系列基于仇的前端智能仪器（下位机）构成，它们之.间再通过一定的物理媒介连接 在一起，以完成必要的通信功能。对于一个特定的测控系统而言，所要测控的对

2、象和所采取的测控算法是 个冇个性的东西；而上位机和下位机z间的通信可以看作是一系列命令流利数据流的流动，所采用的通信 协议是用来保证传输过程的可靠和高效，是具有共性的，能够也应该有一个统一的设计标准。在集散控制系统中，普遍采用rs-485总线作为底层通信接口。它具冇稳定可靠、编程简单、纟ii网快速、价 格低廉的优点，但在协议设计实现方面并没有一个统一的规范，导致不同的控制系统常常采川不同的通信 协议。因此,有必要结合我们的工作实践，设计一种有通用性的高效可靠的协议,从而简化基于rs-485的 分布式测试系统通信部分的设计，既能够保证通信的稳定可靠，又能够把精力集屮到测控系统算法的设计前端机（m

3、cs-51）图2 rs-485通信网络的拓扑结构通信协议的设计通常采用分层的机构，如iso的0s1参考模型。这里也采用分层的结构來描述我们自 定义的基于rs-485总线的通信协议，如图1所示。图1屮，物理层是利用物理媒介实现物理连接的功能描述和执行连接的规程，捉供用于建立、保持和断开物设定总的循环次数匸n（接收失败丽）理连接的机械的、电气的、功能的和过程的条件；图3接收程序receive流程图数据链路层用于建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能；应用层针对不同的应用，利用链路层提供 的服务，完成不同通信节点之间的通信。下面结合每-层讨论这种口定义协议的貝体设计，重点介绍如何实现可靠高效

4、的通信，如何处理通信中错 误，如何编程实现。2协议的设计2.1物理层协议设计rs-485通信网络是一种总线式的结构，如图2所示。上位机（以pc为例）和下位机（以基于mcs-51的科能 仪器为例）都挂在通信总线上，物理层的通信协议山rs-485标准和mcs-51的多机通信方式共同方式。2. 1. 1 eia rs-485标准rs-485是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输标准接口，支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络; 具有传输距离远（最大传输距离1200m）,传输速率快（1200 m时为100kb/s）,抗千扰能力强，布线简单等 优点。2.1.2 mcs-51串口的多机通信方式mcs-5

5、1具有多机通信功能。当串口以方式2 （或方式3）接收时,若sm2 （多机控制位）为,这时只接收第 9位为1的串行数据（把笫9位为1的串行字节称为地址，把第9位为9的串行字节称为数据）；当sm2=0时，不 顾哀应（1b）元荼硕良威也）恼体（1255b）虑皿层数据寢）论笫9位为何值都接收。图4数据链路层帧结构这种功能使得基于mcs-51的智能仪器能够方便地通过rs-485接口芯片组成网络。2.1.3物理层的功能物理层耍完成发送及接收字节流的任务，但对传输过程的可靠性不做出保证，而由高层协议來保证。物理 层为链路层提供接口（以子程序的形式来描述），包wi send子程序（功能为发送一个字节）及rec

6、eive子 程序（功能为接收一个字节）。发送程序比较简单，接收程序的流程如图3所示（以mcs-51为例）。采川循环查询ri标志位的方式，可以 在规定的时间内（即在规定的循环次数内）实现一个字节的接收。规定时间的长短山循环次数决定。如果 在规定的时间内未收到，则视为通信失败。2.2数据链路层协议设计数据链路层的基木通信单位是帖，帧结构如图4所示。receiveframey 程序图5发送7接收帧的程序流程图*帧长度域为每一帧的第一个字节，用來说明帧体的长度。*兀余帧长度域是可选的，它是帧长度域的重复，可以用來检查在传输过程屮帧长度域是否存在传输错误。*帧体域用來封装來自上层（应用层）的数据报，长度

7、是1255b,链路层对这一部分不做处理，由应用层 处理。链路层可以采用如下方法进行差错处理。首先，帧长度域的引入可以方便程序的设计，同时也能够起到一 定的检查错误的功能，可以发现传输过程中丢失字节的错误，并且丢弄缓冲区接收错误的字节。首次，可 以釆用兀余字节的方法，对关键字节（帧长度）发送两次，只有接收到的两个帧长度字节一致时才认为接 收到的是正确的。此外，对发送的每个字节可以采用crc校验等方法进行校验。链路层向上层（应用层）提供的接口 （以子程序的形式来描述）类型域qb）：兀余类型域（ib）数押i字节（1-255或254b）图6应用层数据报的结构为sendframe （功能是发送一帧）和r

8、ccciveframc （功能是接收一帧），程序流程如图5所示，其中利川了下层（物理层）提供的接口。2. 3应用层协议设计应用层是协议的最拓层，它的设计对于不同的应用可以有所不同，但是也存在很多通用性的原则。应用层 数据报的格式如图6所示。*类型域用来指定数据报的类型，一共可以表示256种类型，英中，0用来表示数据；其它256种用来表示命 令。*兀余类型域是可选的，它的作用是检查类型域在传输过程中是否存在错误。*数据域是通信中传输的采集数据、系统参数等。数据报可以分成两类：命令型数据报（类型域不为0）和数据型数据报（类型域为0）。具体的命令可以根据 具体的应用來设计，由具体程序负责解释。应用层

9、也个有一定的差错检查能力：首先，它引入了兀余类型字节；其次，数据域字节也可以采用crc校 验等方法进行校验。 町发送复位帧卢匕4仲u内是舌牧到二个 frame?上位机程序;下位机地址4-1发送i：传存储 数据的命令帧在规定存僦接收的数据接收失 肌结東厂接收成功.结束tframc?y寸间内是否收到二世复位帙?是发i结束帧?卜位机用序图7上位机收集下位机存储数据流程3协议的具体实现及应用在设计基于rs-485的分布式测控系统时.在上位机呼叫卜位机地址z后就可利用本协议的规范來设计具体 的通信流程。基于木协议的通信可以有两种机制。一种是面向握手的，即每发出-帧，总是要等待确认帧，否则将认为 是通信出

10、错。这是一种可靠的通信方式，适合传输系统命令和一些非常重耍的系统参数。另-种是无握手 的，即发送方假设接收方总是接收正确，从而无须等待确认帧就不停地发送，适介大量前端采集数据的发 送。这种机制的优点是发送过程简单、快速，缺点是不能保证传输过程的可猱性。另外，接收方倘若在规定的时间内不能接收到数据，则可以发送复位帧，同时接收方的程序冋到通信程序 的开始，并淸空缓冲区的数据；而发送方的收到复位帧后也回到通信程序的开始，并清空缓冲区中的数据。 然后，双方重新同步。命令帧：命令悚 | olh | oflh | 复立帧| 0】h | of2h |发送数揭的命令i olh | of4h | 发送緒朿| olh of8h j数据帧：帧氏(ib) i ooh(炎吃)采卑的数忆|图8帧格式木协议已经成功地运用到一个分布式电力参数监测系统屮，不仅简化通佶程序的设计，而口保证了通 信的高效和町靠。该系统基于rs-485总线的网络拓扑结构与图2类似。下位机负责现场的电力量的采样和 存储，:位机负责循环呼叫下位机，以了解现场情况是否正常，并且每帧一定时间收集下位机存储的数据, 并对数据进行分析管