RS485網(wǎng)絡(luò)的整幀數(shù)據(jù)收發(fā)
背景：RS485是最常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通訊手段，它的傳輸字節(jié)采用了異步串口UART的規(guī)范。在通常的工控應(yīng)用中，需要傳輸由多個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)幀，而RS485并沒有對(duì)數(shù)據(jù)幀有任何規(guī)范，需要應(yīng)用程序自己做數(shù)據(jù)幀的鑒別。
本文介紹在ESM6800、ESM7000和ESM8000主板上，利用iMX6/7/8串口的9bit RS485模式，實(shí)現(xiàn)RS485通訊網(wǎng)絡(luò)的整幀數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。該功能可大大簡(jiǎn)化應(yīng)用程序接收線程的復(fù)雜性，提高RS485通訊的效率。
整幀數(shù)據(jù)擁有固定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，由地址和數(shù)據(jù)構(gòu)成，地址為一個(gè)字節(jié)，其余都為數(shù)據(jù)字節(jié)，如下圖：
9bit RS485模式使用了串口固定校驗(yàn)位的功能，定義了地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，地址字節(jié)是指固定校驗(yàn)位始終為1的字節(jié)。而數(shù)據(jù)字節(jié)則是指固定校驗(yàn)位始終為0的字節(jié)。同時(shí)9bit RS485模式實(shí)現(xiàn)了一些硬件過濾的功能，在接收的時(shí)候，必須要先接收到地址字節(jié)才會(huì)開始接收數(shù)據(jù)字節(jié)，否則硬件會(huì)將收到的數(shù)據(jù)字節(jié)全部過濾掉，通過這種方式降低了設(shè)備的負(fù)載。所以9bit RS485模式顧名思義，通常使用在RS485模式上面，因?yàn)镽S485可以作為總線掛接多個(gè)設(shè)備，在多路設(shè)備通訊的情況下通過這種校驗(yàn)方式可以有效的降低設(shè)備負(fù)載和軟件的復(fù)雜程度。
英創(chuàng)工控主板中，能夠支持9bit RS485模式的主板和串口如下表，其中ES6801/ES6801L和ESM6800L這三款核心板能夠滿足低成本的需求，可以考慮作為RS485網(wǎng)絡(luò)中的Slave端：
| 主板型號(hào) | 支持9bit RS485模式的串口 | 備注 |
| ES6801(L) | ttyS1—ttyS6 | 適合作為Slave |
| ESM6800(H) | ttyS1—ttyS5 | 適合作為Master |
| ESM6800E | ttyS1—ttyS6 | 適合作為Master |
| ESM6800L | ttyS1—ttyS6 | 適合作為Slave |
| ESM6802 | ttyS1—ttyS4 | 適合作為Master |
| ESM7000 | ttyS1—ttyS6 | 適合作為Master |
如果要使用9bit RS485模式，需要在程序中進(jìn)行使能，使能后串口就會(huì)進(jìn)入到該模式中，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以支持兩種方式，一種是發(fā)送地址字節(jié)，另一種是發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。在接收數(shù)據(jù)字節(jié)的時(shí)候，分為master和slave兩種模式，這兩種模式都需要先接收地址字節(jié)，才能夠接收數(shù)據(jù)字節(jié)，如果沒有接收到地址字節(jié)，會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)字節(jié)自動(dòng)全部濾掉。他們的區(qū)別在于master模式下，只要接收到地址字節(jié)，就會(huì)將這之后的數(shù)據(jù)字節(jié)全部接收，并交給應(yīng)用程序處理。而在slave模式下，需要先設(shè)置設(shè)備地址，只有接收到的地址字節(jié)和設(shè)備地址相同時(shí)，才會(huì)開始接收數(shù)據(jù)字節(jié)。
master模式下，接收數(shù)據(jù)示意圖：
Slave模式下，接收數(shù)據(jù)示意圖：
采用9bit RS485模式，有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一點(diǎn)是不需要判斷是否接收到地址字節(jié)，因?yàn)榇谝诮邮盏降刂纷止?jié)（校驗(yàn)位為1）后，才會(huì)接收數(shù)據(jù)字節(jié)，特別是在slave模式下，只有當(dāng)?shù)刂纷止?jié)和設(shè)置的設(shè)備地址相等時(shí)，才會(huì)接收數(shù)據(jù)。第二點(diǎn)是不需要切換校驗(yàn)方式，當(dāng)串口啟用了9bit RS485模式，就可以正常接收所有地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)了，只有在發(fā)送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)的時(shí)候需要切換不同的設(shè)置，可以減少軟件上的操作。
英創(chuàng)公司在提供的例程Step2_serialtest中封裝的串口類CSerial的基礎(chǔ)上派生出一個(gè)專用于9bit RS485的類CRS485，在這個(gè)類中我們?cè)黾邮鼓?bit RS485模式的函數(shù)，讓客戶可以直接調(diào)用來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。
/**
* 派生用于9bit RS485的類
*
**/
class CRS485 : public CSerial
{
private:
//串口模式、設(shè)備地址和接收超時(shí)時(shí)間
int serial_mode;
int serial_addr;
public:
//接收數(shù)據(jù)緩存和長(zhǎng)度
char frame[100];
int frame_len;
/**
* 派生類的構(gòu)造函數(shù)
*
* 在構(gòu)造函數(shù)中初始化變量，以及設(shè)置9-bit RS485模式下的串口是處于master還是slave模式
*
* 參數(shù)說明：
* mode：值為0對(duì)應(yīng)master模式，值為1對(duì)應(yīng)slave模式
* addr:設(shè)備地址，大小為8bit，當(dāng)且僅當(dāng)mode為1是有效。
*
**/
CRS485(int mode, int addr);
/**
* 發(fā)送9bit RS485整包數(shù)據(jù)
*
* 函數(shù)會(huì)將地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)填寫，并設(shè)置為相應(yīng)的模式一并發(fā)送
*
* 參數(shù)說明：
* addr:設(shè)備地址，大小為8bit，填入發(fā)送數(shù)據(jù)的地址字節(jié)中
* Buf：發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)
* len：發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)度
*
* 返回值說明：
* len：成功
* -1:失敗
*
**/
int send_rs485_frame(char addr, char *Buf, int len);
/**
* 接收9bit RS485整包數(shù)據(jù)
*
* 函數(shù)會(huì)阻塞接收指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，可以設(shè)置超時(shí)時(shí)間，如果超過超時(shí)時(shí)間沒有接收到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，則返回-1
*
* 參數(shù)說明：
* Buf：接收的數(shù)據(jù)字節(jié)
* len：發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)度
* timeout:超時(shí)時(shí)間，單位毫秒。如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，則返回-1。值為0則不阻塞，讀取不到數(shù)據(jù)立即返回。值為-1則沒有超時(shí)時(shí)間，如果接受不到指定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)會(huì)一直等待
*
* 返回值說明：
* 成功則返回接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
* -1:超時(shí)
*
**/
int recv_rs485_frame(char *Buf, int len, int timeout);
/**
* 繼承自CSerial類的接收處理函數(shù)
*
* 在CSerial類的接收線程中會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)，可以在函數(shù)中調(diào)用recv_rs485_frame()函數(shù)，并處理接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)
*
*
**/
int PackagePro();
}; 在類實(shí)例化的時(shí)候，代入?yún)?shù)就可以決定串口是處于master模式還是slave模式，如果是出于slave模式可以一起代入需要設(shè)定的設(shè)備地址：
//master模式 class CRS485 m_Serial(0, 0); //slave模式，設(shè)備地址為0x55 class CRS485 m_Serial(1, 0x55);
接收處理的時(shí)候，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度通過宏DATA_LEN定義，客戶可以在PackagePro()函數(shù)中可以定義超時(shí)時(shí)間，然后調(diào)用recv_rs485_frame()函數(shù)來接收整包數(shù)據(jù)，recv_rs485_frame()函數(shù)會(huì)阻塞，直至收到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，或者到達(dá)超時(shí)時(shí)間才會(huì)返回。接收到整包數(shù)據(jù)后，就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在接收線程調(diào)中循環(huán)調(diào)用PackagePro函數(shù)：
#define DATA_LEN 10 // 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
// 接收串口數(shù)據(jù)處理函數(shù)
int CRS485::PackagePro()
{
int i1, timeout;
//設(shè)置超時(shí)時(shí)間，單位毫秒
timeout = 500;
//調(diào)用接收函數(shù)來獲取指定長(zhǎng)度的整包數(shù)據(jù)
i1 = recv_rs485_frame(DatBuf, m_DatLen, timeout);
//接收到整包數(shù)據(jù)，調(diào)用處理程序，這里只是簡(jiǎn)單的打印
if(i1 != -1)
{
printf("frame addr = 0x%x\n", frame[0]);
printf("frame data = ");
for(i1=1; i1<DATA_LEN; i1++) {
printf("0x%x ", frame[i1]);
}
printf("\n");
//處理完數(shù)據(jù)，清除各個(gè)變量，重新設(shè)置串口以等待下一包數(shù)據(jù)
memset(frame, 0, 100);
frame_len = 0;
}
else
printf("time out!\n");
return i1;
} 在線程中的處理，循環(huán)調(diào)用接收處理函數(shù)即可，因?yàn)閞ecv_rs485_frame()函數(shù)會(huì)阻塞，直至收到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，或者到達(dá)超時(shí)時(shí)間才會(huì)返回：
int CSerial::ReceiveThreadFunc(void* lparam)
{
CSerial *pSer = (CSerial*)lparam;
//定義讀事件集合
fd_set fdRead;
int ret;
struct timeval aTime;
while( 1 )
{
//接收處理函數(shù)
pSer->PackagePro( pSer->DatBuf, pSer->m_DatLen);
}
printf( "ReceiveThreadFunc finished\n");
pthread_exit( NULL );
return 0;
}串口在發(fā)送的時(shí)候，比較簡(jiǎn)單，直接調(diào)用send_rs485_frame()函數(shù)，填入需要發(fā)送的地址和數(shù)據(jù)即可，使用下面的代碼來測(cè)試：
char addr = 0x55; char Buf[2]; Buf[0] = 0x55; Buf[1] = 0xaa; //發(fā)送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié) m_Serial.send_rs485_frame(addr, Buf, sizeof(Buf));
主板實(shí)際輸出的波形如下：
感興趣的客戶可以和英創(chuàng)的工程師聯(lián)系，索取完整的測(cè)試工程。