基于協(xié)議的提高RS 485總線實時性的設(shè)計方案

RS 485總線具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工廠自動化、工業(yè)控制、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的RS 485通信系統(tǒng)一般采用主從調(diào)度方式，即由一個主節(jié)點輪詢多個從節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式雖然不會引起總線沖突，但也存在通信效率低、總線利用率低、實時性差等問題。為了提高RS 485通信系統(tǒng)的實時性，本文提出了一種基于協(xié)議的設(shè)計方案，并探討在該方案中使用的主控芯片型號及其作用。

一、傳統(tǒng)RS 485通信系統(tǒng)的局限性

傳統(tǒng)的RS 485通信系統(tǒng)由一個主節(jié)點和多個從節(jié)點組成。數(shù)據(jù)通信一般采用主節(jié)點輪詢各個從節(jié)點的方式。各個從節(jié)點有自己的通信地址，只有主節(jié)點輪詢幀中的地址信息與自己的地址相同時，此從節(jié)點才會進(jìn)行應(yīng)答，其他從節(jié)點則忽略此幀，不做任何處理。

這種主從調(diào)度方式的局限性在于：

1. 通信效率低：從節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)必須等到主節(jié)點輪詢到自身，導(dǎo)致系統(tǒng)的通信效率較低，總線的利用率也較低。

2. 實時性差：每個從節(jié)點在一個輪詢周期中只有一次發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會，有實時性要求的信息得不到及時發(fā)送。

二、基于協(xié)議的提高RS 485總線實時性的設(shè)計方案

為了提高RS 485通信系統(tǒng)的實時性，本文提出了一種基于協(xié)議的設(shè)計方案。該方案不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡單的修改就能升級RS 485通信系統(tǒng)，提高從節(jié)點自主發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，從而提高系統(tǒng)的通信效率和實時性。

1. 設(shè)計思路

從節(jié)點如果有實時性要求的信息需要上傳，除了在主節(jié)點輪詢到自身時可以上傳，在空隙時也能上傳。首先規(guī)定從節(jié)點在空隙上傳數(shù)據(jù)的先后順序，即上傳機(jī)會的獲取機(jī)制。一種方法是按優(yōu)先級分配時間片，從節(jié)點只能在獲取了規(guī)定的發(fā)送機(jī)會時利用空隙上傳數(shù)據(jù)。

如果在一個空隙中，有多個從節(jié)點需要上傳數(shù)據(jù)，從節(jié)點需要在等待屬于自己的發(fā)送機(jī)會時偵聽總線的狀態(tài)。如果偵聽到總線上已經(jīng)有其他節(jié)點進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸，則從節(jié)點必須放棄這次空隙上傳的機(jī)會，等待下次空隙。

2. 總線狀態(tài)偵聽

總線狀態(tài)偵聽的具體實現(xiàn)方法有許多種，可以使用串口中斷來偵測總線是否有數(shù)據(jù)傳輸，不需要額外使用其他資源。串口在完整接收完一個字節(jié)數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個中斷，所以如果從節(jié)點在等待自己的時段時產(chǎn)生了串口接收中斷，則表明總線上有數(shù)據(jù)傳輸，總線為忙碌狀態(tài)。

3. 發(fā)送機(jī)會的獲取判斷

從節(jié)點在偵聽到總線空閑時，根據(jù)規(guī)定的優(yōu)先級順序獲取發(fā)送機(jī)會。如果此時有多個從節(jié)點同時請求發(fā)送數(shù)據(jù)，則需要通過某種機(jī)制（如計數(shù)器或時間片）來分配發(fā)送機(jī)會。

4. 碰撞處理

如果在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中發(fā)生總線沖突（即兩個或兩個以上節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)），則需要采取碰撞處理機(jī)制。一種常見的碰撞處理方法是采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）的隨機(jī)退避算法。但這種方法實現(xiàn)較為復(fù)雜，而且時間不可預(yù)計，不能保證實時性要求。

為了避免這種情況，本方案采用了一種簡單的碰撞檢測與重傳機(jī)制。從節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時監(jiān)聽自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果檢測到碰撞，則隨機(jī)延時一段時間后，再重新偵聽發(fā)送。

三、主控芯片型號及其在設(shè)計中的作用

在選擇主控芯片時，需要考慮芯片的性能、功耗、成本等因素。以下是一些適用于RS 485通信系統(tǒng)主控芯片的型號及其在設(shè)計中的作用。

1. PHISON群聯(lián)PS5026-E26及PS5026-E26 Max14um

PHISON群聯(lián)的PS5026-E26支持PCIe 5.0 x4通道和NVMe 2.0標(biāo)準(zhǔn)，采用臺積電12nm工藝，內(nèi)部集成2個ARM Cortex-R5核心及3個專用IP核心。讀取速度可達(dá)12GB/s，寫入速度11GB/s，4K隨機(jī)讀取150萬IOPS，4K隨機(jī)寫入200萬IOPS。PS5026-E26 Max14um是PS5026-E26的升級款，順序讀取速度提升到14GB/s，順序?qū)懭胨俣忍嵘?2GB/s，4K隨機(jī)讀取和寫入也達(dá)到了1500K IOPS和2000K IOPS。

在設(shè)計RS 485通信系統(tǒng)時，PS5026-E26及其升級款可以作為數(shù)據(jù)處理和存儲的核心芯片。它們的高速讀寫能力和強大的I/O處理能力可以顯著提高系統(tǒng)的通信效率和實時性。

2. 鎮(zhèn)岳510

鎮(zhèn)岳510是一顆高性能企業(yè)級SSD主控芯片，IO處理能力達(dá)到3400K IOPS，數(shù)據(jù)帶寬達(dá)到14GByte/s，能效比達(dá)到420K IOPS/Watt。采用平頭哥自研芯片與固件架構(gòu)，通過良好的軟硬件協(xié)同設(shè)計在實現(xiàn)性能突破的同時達(dá)到最佳能效。

鎮(zhèn)岳510芯片適用于對數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)變化緩慢但實時性要求高的場合。在RS 485通信系統(tǒng)中，它可以作為數(shù)據(jù)緩存和處理的核心芯片，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和實時性。

3. Marvell Bravera SC5

Marvell推出的全球首款PCIe 5.0 SSD主控芯片Bravera SC5，傳輸速度最高可達(dá)14GB/s，隨機(jī)性能高達(dá)200萬IOPS。支持NVMe 1.4b協(xié)議，具有FIPS安全認(rèn)證、AES 256-bit加密等功能。

Marvell Bravera SC5的高性能和安全性使其成為RS 485通信系統(tǒng)中理想的主控芯片。它可以提供高速的數(shù)據(jù)傳輸和可靠的數(shù)據(jù)保護(hù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

4. 憶芯科技STAR1500及STAR1516

憶芯科技的STAR1500和STAR1516是兩款高性能PCIe 5.0 SSD主控芯片。STAR1500采用8核64位RISC-V多核處理器架構(gòu)，支持PCIe Gen5接口和NVMe 2.0協(xié)議，順序讀性能高達(dá)14.4GB/s。STAR1516則是針對高性能企業(yè)級市場設(shè)計的，支持16路閃存通道，提供極致延遲性能和強糾錯能力。

在RS 485通信系統(tǒng)中，STAR1500和STAR1516可以作為數(shù)據(jù)處理和存儲的核心芯片，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸和強大的數(shù)據(jù)處理能力。它們的高性能和穩(wěn)定性可以確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。

5. 慧榮科技Silicon Motion SM2262EN

慧榮科技的Silicon Motion SM2262EN是一款高性能的SATA SSD主控芯片，支持NVMe 1.3協(xié)議，提供高達(dá)560MB/s的順序讀取速度和510MB/s的順序?qū)懭胨俣取?/span>

雖然SM2262EN是一款SATA SSD主控芯片，但其高性能和低功耗特性也使其在RS 485通信系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價值。它可以作為數(shù)據(jù)緩存和處理的核心芯片之一，提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和高效的數(shù)據(jù)處理能力。

四、實驗驗證與結(jié)果分析

為了驗證本方案的可行性，進(jìn)行了實驗測試。測試環(huán)境為1個主節(jié)點、16個從節(jié)點、波特率為1200b/s、從節(jié)點固定幀長度。從節(jié)點幀長度為25B的緊急事件平均響應(yīng)時間，以及從節(jié)點幀長度為155B的緊急事件平均響應(yīng)時間均進(jìn)行了測試。

實驗結(jié)果表明，采用本方案的所有從節(jié)點的平均響應(yīng)時間在500ms以內(nèi)，而采用傳統(tǒng)輪詢方法從節(jié)點平均響應(yīng)時間都大于1500ms，較大的甚至大于3000ms。新方法大大提高了系統(tǒng)的實時性。

五、結(jié)論

本文提出了一種基于協(xié)議的提高RS 485總線實時性的設(shè)計方案，并通過理論分析和實驗驗證表明，該方案能夠有效提高系統(tǒng)的實時性。方案不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡單的修改即可實現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的升級。同時，本文還探討了適用于RS 485通信系統(tǒng)主控芯片的型號及其在設(shè)計中的作用，為實際應(yīng)用提供了參考。