賈海航，趙霞

　?。ㄍ瑵?jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

       摘要：RS485總線(xiàn)經(jīng)常被用做主從系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間的通信方式，系統(tǒng)中主從機(jī)的通信狀態(tài)是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的前提。文章設(shè)計(jì)了一種基于RS485總線(xiàn)的從機(jī)故障檢測(cè)方法。首先根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和接口函數(shù)，并提出了一種基于RS485網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的輪詢(xún)方法，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)可靠、穩(wěn)定地輪詢(xún)?cè)L問(wèn)多個(gè)從機(jī)。主機(jī)能夠檢測(cè)各個(gè)從機(jī)的通信狀況，并及時(shí)將從機(jī)通信故障信息上報(bào)到上位機(jī)。文章提出的在輪詢(xún)基礎(chǔ)上進(jìn)行故障檢測(cè)的方法，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　關(guān)鍵詞：RS485；輪詢(xún)；故障檢測(cè)

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.001

　　引用格式：賈海航，趙霞.基于RS485總線(xiàn)的GSM-R從機(jī)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：1-4，8.

0引言

　　圖1GSM-R鐵路無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)隨著鐵路列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提升，通信系統(tǒng)對(duì)于鐵路的安全運(yùn)行越來(lái)越重要。鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）是一種基于當(dāng)前世界最成熟、最通用的公共無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)GSM平臺(tái)，專(zhuān)為滿(mǎn)足鐵路應(yīng)用而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)［1］。圖1為GSM-R鐵路無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端機(jī)和近端機(jī)兩部分。近端機(jī)由時(shí)間分布控制單元 (Time Distributed Master Unit,TDMU)及射頻模塊組成，遠(yuǎn)端機(jī)由射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU）和射頻模塊組成。TDMU和RRU不僅需要獲取各自射頻模塊的實(shí)時(shí)信息，以了解各個(gè)射頻模塊的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還需將各個(gè)射頻模塊的故障信息及時(shí)上報(bào)到上位機(jī)，使射頻模塊得到及時(shí)的維護(hù)。因此，TDMU和RRU與各自的射頻模塊之間穩(wěn)定可靠的通信是非常重要的。

　　常用的串口通信方式包括RS232和RS485。RS232串行通信總線(xiàn)屬于全雙工工作方式，數(shù)據(jù)的收發(fā)可以同時(shí)進(jìn)行，但傳輸距離短，且只適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。RS485串行通信總線(xiàn)采用半雙工工作方式，數(shù)據(jù)的收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，任何時(shí)刻只能有一個(gè)主機(jī)處于主動(dòng)發(fā)送狀態(tài)，其他所有從機(jī)處于被動(dòng)接收狀態(tài)，非常適用于一主多從的通信要求［2］。RS485作為一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、傳輸距離遠(yuǎn)的通信方式，得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在本系統(tǒng)中，要求TDMU和RRU可以主動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)射頻模塊，而射頻模塊只能被動(dòng)接收并響應(yīng)。根據(jù)上述需求，采用RS485串行總線(xiàn)作為T(mén)DMU和RRU訪(fǎng)問(wèn)射頻模塊的通信方式。將TDMU和RRU作為主機(jī)，射頻模塊作為從機(jī)，構(gòu)成RS485主從通信系統(tǒng)。上位機(jī)通過(guò)TDMU來(lái)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。

　　在一些相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于RS485總線(xiàn)通信方式的設(shè)計(jì)都只提到了RS485輪詢(xún)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，但均未考慮從機(jī)故障的處理問(wèn)題。本文針對(duì)在輪詢(xún)過(guò)程中的從機(jī)故障檢測(cè)問(wèn)題，提出了RS485總線(xiàn)輪詢(xún)與從機(jī)故障檢測(cè)相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方法。在本文的設(shè)計(jì)中，主機(jī)通過(guò)RS485總線(xiàn)輪詢(xún)各個(gè)從機(jī)，獲取從機(jī)信息，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)從機(jī)故障狀態(tài)。

1RS485通信協(xié)議和接口函數(shù)的設(shè)計(jì)

　　1.1通信協(xié)議

　　RS485接口標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議需要用戶(hù)自己根據(jù)實(shí)際情況而設(shè)計(jì)［3］。設(shè)計(jì)一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備，并且盡量標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議是RS485通信最基本的通信要求。

　　RS485通信協(xié)議的設(shè)計(jì)主要包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層［4］。本文使用的VxWorks操作系統(tǒng)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理層的所有功能［5］。只需調(diào)用操作系統(tǒng)提供的發(fā)送和接收函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本文設(shè)計(jì)的RS485總線(xiàn)通信協(xié)議主要完成數(shù)據(jù)鏈路層的功能。

　　數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議［5 6］包括開(kāi)始結(jié)束標(biāo)志、設(shè)備的類(lèi)型及地址、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。設(shè)置一個(gè)開(kāi)始、結(jié)束標(biāo)志來(lái)表明每一段數(shù)據(jù)幀的開(kāi)頭和結(jié)尾。設(shè)置一個(gè)標(biāo)志來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀是請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀還是應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。用設(shè)備類(lèi)型和設(shè)備地址兩個(gè)標(biāo)志位來(lái)區(qū)分不同的從機(jī)。數(shù)據(jù)校驗(yàn)位用來(lái)保證數(shù)據(jù)幀的正確性。除上述單元，通信協(xié)議還應(yīng)包括命令標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。

　　根據(jù)以上描述，設(shè)計(jì)的通信協(xié)議如圖2所示。

　　開(kāi)始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志：表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束，本文均用0x7f表示。

　　設(shè)備類(lèi)型：本文中用0x01表示功放，用0x02表示低噪放。

　　設(shè)備地址：對(duì)于同一種從機(jī)類(lèi)型，用設(shè)備地址區(qū)分不同設(shè)備類(lèi)型下的不同從機(jī)。例如：對(duì)于4個(gè)功放（設(shè)備類(lèi)型為0x01），設(shè)備地址分別為0x00、0x01、0x02、0x03。

　　命令標(biāo)識(shí)：表示主機(jī)對(duì)從機(jī)發(fā)送的命令類(lèi)型。

　　響應(yīng)標(biāo)識(shí)：主機(jī)主動(dòng)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)用0xff表示，從機(jī)被動(dòng)響應(yīng)主機(jī)用0x00來(lái)表示。

　　數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：表示具體數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

　　數(shù)據(jù)校驗(yàn)：為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，本文采用CRC校驗(yàn)碼。CRC校驗(yàn)碼具有唯一性。若發(fā)送端與接收端的校驗(yàn)碼不一致，則表明數(shù)據(jù)幀的傳輸有誤［7］。

　　1.2接口函數(shù)

　　數(shù)據(jù)鏈路層需為高層提供統(tǒng)一的RS485接口函數(shù)，而接口函數(shù)的設(shè)計(jì)需要按照上述的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議組包，調(diào)用底層串口驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的從機(jī)并等待接收響應(yīng)消息。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)解析，若此響應(yīng)數(shù)據(jù)完整無(wú)誤，則將需要的數(shù)據(jù)從中解析出來(lái)。在接口函數(shù)的設(shè)計(jì)中需要考慮數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)義、數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收、接口函數(shù)的保護(hù)三方面的內(nèi)容。

　?。?）在數(shù)據(jù)接收端，若具體數(shù)據(jù)中出現(xiàn)0x7f的數(shù)據(jù)，在接收端就會(huì)影響對(duì)完整一幀數(shù)據(jù)的判斷。因此，在數(shù)據(jù)發(fā)送端要對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理。本文的方法是用0x5f和0x7d兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)來(lái)代替0x7f，用0x5f和0x5d兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)來(lái)代替0x5f；在數(shù)據(jù)接收端進(jìn)行反轉(zhuǎn)義處理，與轉(zhuǎn)義處理相反。

　?。?）接口函數(shù)中最重要的就是數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，本文使用的VxWorks操作系統(tǒng)已經(jīng)完成了底層RS485串口的配置，只需要調(diào)用操作系統(tǒng)提供的發(fā)送和接收函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)的發(fā)送函數(shù)Tx485就是將組包好的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線(xiàn)上。RS485接收任務(wù)一直監(jiān)聽(tīng)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)幀中的開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)志來(lái)接收一條完整的RS485數(shù)據(jù)。將一幀完整數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列，msgQReceive則從消息隊(duì)列中接收數(shù)據(jù)。RS485接口函數(shù)如下：

　　STATUS Port485Send (……)

　　{

　　semTake(sem485RdDone,WAIT_FOREVER);

　　//根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組包

　　……;

　　//進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理

　　Escape(SendBuf,OutBuf);

　　//發(fā)送數(shù)據(jù)

　　Tx485(OutBuf);

　　//接收響應(yīng)數(shù)據(jù)

　　msgQReceive (Rx485QId, (char *)RespBuf, LEN_MAX , timeout);

　　//處理響應(yīng)數(shù)據(jù)

　　Port485_Handle(RespBuf, MsgLen);

　　semGive(sem485RdDone);

　　return OK;

　　}

　　(3)在RS485總線(xiàn)通信中，同一時(shí)刻，只能有一個(gè)主機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，其他所有從機(jī)處于被動(dòng)接收狀態(tài)，并且從機(jī)之間不能相互通信，否則將會(huì)引起總線(xiàn)沖突，無(wú)法正常工作［7］。RS485總線(xiàn)屬于半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)的收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)的發(fā)送必須等到上一次數(shù)據(jù)接收完成之后才能進(jìn)行。為了滿(mǎn)足上述RS485總線(xiàn)通信的特點(diǎn)，本文需要對(duì)RS485接口函數(shù)進(jìn)行保護(hù)。

　　①RS485是一主多從的串行總線(xiàn)，每一時(shí)刻只能有一個(gè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，也即每一時(shí)刻RS485接口函數(shù)只能被調(diào)用一次。為了防止接口函數(shù)被同時(shí)調(diào)用，在接口函數(shù)中增加了信號(hào)量的保護(hù)。主機(jī)在調(diào)用接口函數(shù)時(shí)，必須首先獲取信號(hào)量。如果沒(méi)能獲取信號(hào)量，說(shuō)明此刻有其他任務(wù)在調(diào)用接口函數(shù)。主機(jī)必須等到發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束釋放信號(hào)量后，才能獲取信號(hào)量，調(diào)用接口函數(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　?、赗S485通信屬于半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)的收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行。在實(shí)際的需求中，除了主機(jī)不斷輪詢(xún)從機(jī)之外，上位機(jī)也會(huì)通過(guò)主機(jī)向目標(biāo)從機(jī)發(fā)送一些查詢(xún)從機(jī)數(shù)據(jù)或配置從機(jī)參數(shù)的數(shù)據(jù)幀。主機(jī)的輪詢(xún)是一直進(jìn)行的，而上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)幀是隨機(jī)的。為了避免輪詢(xún)數(shù)據(jù)和上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)幀在485總線(xiàn)上沖突，本文設(shè)置一個(gè)全局變量作為主機(jī)輪詢(xún)的開(kāi)關(guān)。在上位機(jī)下發(fā)RS485數(shù)據(jù)幀時(shí)，關(guān)閉輪詢(xún)開(kāi)關(guān)，主機(jī)輪詢(xún)從機(jī)暫時(shí)停止。當(dāng)目標(biāo)從機(jī)響應(yīng)了上位機(jī)之后，打開(kāi)輪詢(xún)開(kāi)關(guān)，主機(jī)繼續(xù)輪詢(xún)從機(jī)。

2基于輪詢(xún)機(jī)制的從機(jī)故障檢測(cè)的設(shè)計(jì)

　　2.1從機(jī)故障檢測(cè)的流程

　　圖3是基于輪詢(xún)機(jī)制的從機(jī)故障檢測(cè)的設(shè)計(jì)流程圖。主機(jī)每隔800 ms調(diào)用一次RS485接口函數(shù)輪詢(xún)從機(jī)設(shè)備。若800 ms內(nèi)未收到從機(jī)的響應(yīng)，則認(rèn)為此從機(jī)通信異常。若連續(xù)異常次數(shù)達(dá)到上限，則主機(jī)需要將此從機(jī)通信故障信息上報(bào)到上位機(jī)。

　　2.2從機(jī)故障檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)在輪詢(xún)從機(jī)過(guò)程中檢測(cè)從機(jī)通信狀況，本文將輪詢(xún)機(jī)制嵌套于故障檢測(cè)任務(wù)中。從機(jī)故障檢測(cè)任務(wù)包括輪詢(xún)時(shí)間間隔的設(shè)計(jì)、故障上報(bào)設(shè)計(jì)、輪詢(xún)過(guò)程中的從機(jī)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)。其中，輪詢(xún)過(guò)程中的從機(jī)故障檢測(cè)是本文的重點(diǎn)。

　?。?）輪詢(xún)時(shí)間間隔的設(shè)計(jì)。通過(guò)看門(mén)狗定時(shí)器和信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)800 ms的主機(jī)輪詢(xún)從機(jī)的時(shí)間間隔。在一個(gè)800 ms的看門(mén)狗定時(shí)器中，每隔800 ms釋放一次信號(hào)量。

　?。?）故障上報(bào)設(shè)計(jì)。在故障檢測(cè)任務(wù)中，Rs485AlmReport是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和同步狀態(tài)進(jìn)行故障上報(bào)的函數(shù)。當(dāng)前狀態(tài)表示從機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，而同步狀態(tài)表示從機(jī)的歷史狀態(tài)。若某一從機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)是故障狀態(tài)，同步狀態(tài)是正常狀態(tài)，則主機(jī)就會(huì)向上位機(jī)上報(bào)此從機(jī)故障。故障檢測(cè)任務(wù)部分代碼如下：

　　LOCAL void Rs485AlarmManTask(void)

　　{

　　wdStart(TimerId, (int) Timer, (FUNCPTR) Rs485TimerFun, 0); //輪詢(xún)時(shí)間間隔

　　While(1){

　　semTake(semAlmSampleT, WAIT_FOREVER) ;

　　if(RS485UseSwitch == 0){

　　Rs485AlmCheck( );}//從機(jī)故障檢測(cè)

　　Rs485AlmReport( );}//故障上報(bào)

　　}

　?。?）輪詢(xún)過(guò)程中的從機(jī)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)。在故障檢測(cè)任務(wù)中，Rs485AlmCheck函數(shù)調(diào)用RS485接口訪(fǎng)問(wèn)從機(jī)設(shè)備。為了便于管理所有從機(jī)設(shè)備，建立如下從機(jī)設(shè)備信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　　typedef struct alarm_info{

　　UINT8 AlmIndex;/* index of the device */

　　UINT8 AlarmEna;/* device enable */

　　UINT8 CurAlmState;/* current alarm state */

　　UINT8 SyncAlmState;/* synced alarm state */

　　UINT8(*CommChk) (void); /*detect function */

　　UINT8 AlmRaiseCnt;/* device raise counter */

　　UINT8 AlmIdleCnt;/* device clear counter */

　　} ALARM_INFO;

　　從機(jī)設(shè)備信息包括從機(jī)序列號(hào)、故障檢測(cè)使能、當(dāng)前狀態(tài)、同步狀態(tài)、故障檢測(cè)函數(shù)（輪詢(xún)函數(shù)）、故障統(tǒng)計(jì)、正常統(tǒng)計(jì)等。根據(jù)從機(jī)設(shè)備信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立ALARM_INFO Rs485Devices［MAX_DEV_NUM］所有從機(jī)的信息。每隔800 ms執(zhí)行一次從機(jī)故障檢測(cè)函數(shù)，并統(tǒng)計(jì)故障的次數(shù)。若故障次數(shù)達(dá)到上限，則等待Rs485AlmReport故障上報(bào)函數(shù)將信息上報(bào)到上位機(jī)。

3故障檢測(cè)的優(yōu)化及結(jié)果

　　在實(shí)際情況中，一次從機(jī)通信異常不能認(rèn)為此從機(jī)通信故障。在本文中，規(guī)定某從機(jī)連續(xù)4次通信異常，才能認(rèn)為此從機(jī)通信故障。當(dāng)從機(jī)數(shù)量較多時(shí)，若某一從機(jī)通信故障，主機(jī)需要將所有的從機(jī)設(shè)備輪詢(xún)4次后，才能將從機(jī)通信故障檢測(cè)出來(lái)并上報(bào)到上位機(jī)。在這種情況下，主機(jī)不能及時(shí)將從機(jī)通信故障上報(bào)到上位機(jī)，造成上位機(jī)獲取從機(jī)通信狀況非常滯后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差。主機(jī)為了能夠及時(shí)將從機(jī)發(fā)生故障上報(bào)到上位機(jī)，在輪詢(xún)下一設(shè)備前需做如下判定條件：當(dāng)主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)某一從機(jī)時(shí)，如果從機(jī)通信異常，則繼續(xù)訪(fǎng)問(wèn)此從機(jī)，而不是訪(fǎng)問(wèn)下一個(gè)從機(jī)設(shè)備；當(dāng)連續(xù)4次通信異常，主機(jī)將此從機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)改為故障狀態(tài)，繼續(xù)訪(fǎng)問(wèn)下一個(gè)從機(jī)設(shè)備。輪詢(xún)條件代碼如下：

　　void Rs485AlmCheck(void)

　　{

　　//保持不變

　　……

　　//輪詢(xún)條件

　　if(TmpState==Rs485Devices［DevOrder］.CurAlmState）

　　DevOrder+=1;

　　}

　　在從機(jī)故障檢測(cè)函數(shù)中，如果實(shí)際狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)一致，表明主機(jī)已將從機(jī)的實(shí)際狀態(tài)反饋到從機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，則繼續(xù)輪詢(xún)下一個(gè)從機(jī)設(shè)備。

　　為了說(shuō)明基于輪詢(xún)的從機(jī)故障檢測(cè)的輪詢(xún)條件的優(yōu)化效果，作如下假設(shè)：某一主機(jī)下共有7個(gè)從機(jī)，最壞的情況下，這7個(gè)從機(jī)同時(shí)發(fā)生了通信故障。在不加輪詢(xún)條件的從機(jī)故障檢測(cè)中，檢測(cè)出第一個(gè)從機(jī)故障需要0.8×7×3+0.8=17.6 s，在加上輪詢(xún)條件后的從機(jī)故障檢測(cè)中，檢測(cè)出第一個(gè)從機(jī)故障需要0.8×4=3.2 s。如圖4是在7個(gè)從機(jī)同時(shí)故障的情況下，加上輪詢(xún)條件前后，主機(jī)檢測(cè)出這7個(gè)從機(jī)故障所需要的時(shí)間對(duì)比。加上輪詢(xún)條件后的檢測(cè)方法大大減少了從機(jī)故障檢測(cè)所需的時(shí)間。

4結(jié)論

　　基于RS485總線(xiàn)的通信協(xié)議和接口函數(shù)的設(shè)計(jì)保證了主機(jī)穩(wěn)定可靠地訪(fǎng)問(wèn)從機(jī)。從機(jī)故障檢測(cè)的輪詢(xún)機(jī)制一方面可以不斷地獲取各個(gè)從機(jī)的設(shè)備信息，另一方面可以檢測(cè)從機(jī)通信故障。但是，當(dāng)從機(jī)數(shù)量較多時(shí)，輪詢(xún)周期就會(huì)變長(zhǎng)，從機(jī)的通信故障不能被及時(shí)檢測(cè)出來(lái)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變差。加上了輪詢(xún)條件優(yōu)化后的輪詢(xún)機(jī)制相比傳統(tǒng)的輪詢(xún)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)從機(jī)通信故障。上位機(jī)可以及時(shí)獲取各個(gè)從機(jī)的通信狀況，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

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