嵌入式系统应用中实现RS485的方向切换

吴丽萍，戈志明

（苏州工业园区职业技术学院，苏州 215123）

吴丽萍（讲师），主要研究方向为自动控制系统；戈志明（工程师），主要研究方向为嵌入式系统、软件测试。

引 言

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RS－485标准，传送数据速率达100kb／s时通信距离可达1200m［1］。

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［2］。

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2N7002LT1GMOS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SP3072EEN－L／TR直接输出，高电平信号通过外部上下拉电阻来控制［3］。

这种方法的优点是控制简单，软件不需要做额外的工作，控制RS485像控制RS232一样。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［4］。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。

按照输出电流计算，3线控制方式相对用2线控制的总线上下拉作为输出的方式，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

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5V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UBoot－2010.06和linux－2.6.37。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。

图2 软件控制方法中的硬件设计

表1 软件和硬件控制方式驱动能力的对比

2.3 U－Boot代码修改

需要修改的文件：

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：

①arch／arm／mach－omap2／bord－ti8168evm.c

② drivers／serial／omap－serial.c

③include／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：

omap－serial.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。

④ 默认情况下RS485处于接收状态。

⑤serial＿omap＿enable＿ier＿thri函数中把 RS485切换为发送状态。

⑦transmit＿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。

⑧arch／arm／mach－omap2／board－ti8168evm.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。U－Boot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25μs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20ms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。

［1］TI.RS－422and RS－485Standards Overview and System Configurations，2010.

［2］TI.GPIO User′s Guide，2011.

［3］魏永明，耿岳，钟书毅.LINUX设备驱动程序［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［4］刘刚，赵建川.LINUX系统移植［M］.北京：清华大学出版社，2011.