基于RS-485总线的可扩展局域网络的研究

    RS-485是在RS-422的基础上发展起来的，能实现一点对多点的通信，也能实现多点双向通信，但同一时刻只能有一个发送器，其余的为接收器，即一主多从的通信方式。目前市场上可供选择的RS-485总线芯片很多，其中包括可支持128个节点的MAXl487和支持400个节点的SP485R。利用该类芯片可直接组成简单的通信网络。

    RS-485收发器采用平衡发送、差分接收的方式，即在发送端将TTL信号转换成差分信号输出，在接收端，接收器将差分信号转换成TTL信号。因此具有较高的共模抑制能力。同时接收器具有较高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，数据传输可达1 200m。如降低数据传输速率，则通信距离可更长。当通信速率为1 200bps时，理论上通信距离可达15km。当传输距离超过300m时，在网络的二端需接入120Ω的匹配电阻，以减少因阻抗不匹配而引起的反射，吸收噪声，从而有效抑制噪声干扰。MAXl487的接口电路示意图如图1所示。

2网络结构及实施方案

    在实际应用中，RS-485总线芯片本身所拥有的节点数已不能满足需求，而往往需要一个接点庞大的复杂局域网络（如几千甚至几万个节点）来完成。连接在该网络中的各类设备能相互通信，并且可以在一定节点数范围内根据实际需要任意扩展，并做到即插即用。管理人员通过随身携带的笔记本电脑，接入网络中的任一接点，可了解整个网络的运行情况。结合用户应用程序，管理人员还可获得连接于该网络上相关设备的运行数据。

    针对以上要求，局域网络必须由多片具有RS-485总线的芯片连接而成。本文讨论节点数≤32768点的局域网络，使用MAXl487作收发器。根据RS-485总线的特点；在任一时刻，整个网络只允许有一个发送器，其余的必须处于接收状态。而接入网络中的设备随时可能有多个设备同时传输数据的要求，如不进行协调，就会出现总线竞争现象，使总线电子紊乱，整个网络无法工作。 

    将一片MAXl487所能连接的128个节点作为一个子网，整个局域网络由若干个子网组成。所有节点不直接和用户设备相连，而是通过一个节点模块和设备连接。这是一种二端带通信口的智能化模块，内带一个单片机系统，用于执行局域网络通信协议，负责BS-485总线和设备间的通信，同时参与整个局域网络的通信协调工作。模块的一端为RS-485总线，用于连接网络，另一端是RS-232总线（或TTL电平）与用户设备、仪器仪表或智能传感器连接。

    子网中每个节点模块都有自己的地址，用1个字节表示，即00H～7FH。而在整个局域网络中，每个子网也有自己的子网地址，也用1个字节表示，即00H～FFH。这样，在整个局域网络中每个节点就有自己惟一的用2个字节的二进制数表示的地址，类似Internet中的IP地址，其地址格式如图2所示。以00H子网05H节点为例，其中的"X"为无效位

    规定每个子网中的地址为00H和7FH的2个节点为特殊节点。地址为00H的节点是该子网的管理者，协调子网中的通信，同时也是该子网的一个数据出入口，和上一个地址为7FH的节点连接。地址为7FH的节点为该子网的另一个数据出入口，负责和下一个子网中地址为00H的节点连接。这表示子网之间是由2个背靠背的节点模块通过RS-232总线相连的。

    这2个背靠背的节点模块又是子网之间的中继站。同时还规定00H子网的00H节点，即地址为"00000000·00000000"的节点为整个网络的最高管理者。局域网络宜采用拓扑结构，以提高网络运行效率，而链式结构可增加网络的通信距离。RS-485总线构成的局域网络结构示意图如图3所示（以00H、01H 2个子网为例）。

3节点模块的设计

    该局域网络的关键是节点模块的设计。这也是本局域网络的特色所在，其中软件设计至关重要。节点模块主要完成网络的管理和通信。为了使模块具有通用性，所有节点模块具有相同的结构和软件，只要按照网络协议选择好正确的地址，任一模块都可相互替换。网络中没有专门的网络服务器，任意一个节点模块都具有服务器的功能。哪个节点模块充当服务器是由其自身的地址决定的，因此节点模块软件应该具有自动识别地址的功能，以确定自己在网络中的位置和角色。例如，当检测到自身的地址是"00001010·×0000000"时，就知道自己是0AH子网中的OOH节点，并且是该子网中的管理者；当检测到自身地址是"00000000·×0000000"时，就知道自己是整个局域网络的最高管理者。节点模块地址可由用户自行设定。

    为了实现即插即用功能，最高管理者必须定时向整个网络广播，以便收集网络的运行情况（如是否有新节点加入，是否有节点从网络上退出等）并形成网络状态注册表，根据实际情况实时刷新。任何节点都可以向最高管理者取得该注册表，以便管理人员从任一节点上获得网络运行状态。

    网络空闲时，最高管理者不断地向整个网络发出询问，监视是否有数据通信要求。子网内部的数据通信由该子网的管理者（节点地址为00H）协调，只有跨子网传输数据时，最高管理者（子网地址为00H，节点地址也是00H）才会干预。节点模块中有8KB的SRAM作为数据缓冲区，另外有2KB的E2PROM用于保存注册表等信息。单片机的串行通信口既要完成RS-485总线的通信，又要完成由RS-232总线到设备的通信，所以必须有通信口切换功能。平时单片机的串行通信口总是与RS-485总线相连，只有当设备需要传输数据时才切换到RS-232总线，所以系统还必须有对设备通信请求的检测功能。限于篇幅，软件具体编程在此不作叙述。节点模块的结构如图4所示。

4总 结

    理论上该局域网络对节点的扩展没有限制，但考虑到RS-485总线通信速度的限制，因此网络规模不宜过大。由前面的结构分析可知，网络的可靠性取决于子网。由于各子网间不会产生串扰，因此网络的可靠性不会随网络的规模扩大而降低。这是一个通用的局域网络，适合任何需要RS-485总线通信的场合，因此实用性非常强。