基于RS485總線設(shè)計(jì)的多處理器RS485通信網(wǎng)絡(luò)

1.引言

飛機(jī)配電系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)電能的輸送、分配及保護(hù)控制。隨著航空、電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)載設(shè)備的數(shù)量大幅增加，供電系統(tǒng)容量迅速增長［1］，飛機(jī)配電系統(tǒng)逐步向著以通信總線為基礎(chǔ)的自動(dòng)配電系統(tǒng)發(fā)展。RS485 總線以其協(xié)議簡單、配置靈活等特點(diǎn)，常作為一種余度總線，用于含有多種數(shù)據(jù)總線的飛機(jī)自動(dòng)配電系統(tǒng)中［2］。本文主要探討多處理器模式下 RS485 總線在飛機(jī)配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.飛機(jī)配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及通信要求

飛機(jī)自動(dòng)配電系統(tǒng)包括一次配電系統(tǒng)和二次配電系統(tǒng)，其中，一次配電系統(tǒng)的核心控制部件是匯流條功率控制器 BPCU（Bus Power Control Unit）;二次配電系統(tǒng)的控制部件是二次配電控制單元 RPDU（RemotePower Distribution Unit）。 本文所涉及的飛機(jī)配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖 1 所示。其中，BPCU 通過 1553B 總線與上位機(jī)通信，向上位機(jī)傳遞飛機(jī)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況;BPCU 與 RPDU 及發(fā)電機(jī)控制器 GCU（GeneratorControl Unit）之間通過 RS485 總線及其它通信總線 （如CAN 總線或 429 總線等）進(jìn)行通信。BPCU 根據(jù) GCU和 RPDU 反饋的信息對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)匯流條切換、大功率負(fù)載的自動(dòng)管理，完成飛機(jī)電能的分配。

由圖 1 可知，飛機(jī)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，飛機(jī)一次配電系統(tǒng)中共有2個(gè)BPCU同時(shí)工作， 分別為左（L）BPCU和右（R）BPCU。因此，該配電系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)含有多處理器的 RS485 總線通信網(wǎng)絡(luò)。該通信網(wǎng)絡(luò)需實(shí)現(xiàn)的功能如下：2 個(gè) BPCU 之間需定時(shí)通信，交換數(shù)據(jù)并監(jiān)控對(duì)方是否正常運(yùn)轉(zhuǎn);2 個(gè) BPCU 需定時(shí)與所有GCU 和 RPDU 通信，監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài);正常情況下GCU、RPDU 之間則不需通信。

3.R S 4 8 5 總線及其總線沖突問題

RS485 總線標(biāo)準(zhǔn)是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì)制定的以雙絞線作傳輸線的通信標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡發(fā)送和差分接收，允許雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng) 32 個(gè)負(fù)載設(shè)備［3］。RS485 以半雙工方式通信，用于多站互連時(shí)，便于組建可靠性高及分布范圍較廣的總線網(wǎng)絡(luò)［4］。然而，由于 RS485 總線的通信方式是半雙工，即同一時(shí)刻總線上只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，如果同時(shí)有兩個(gè)或以上的節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，將導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，這就是總線沖突［5］。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中存在 2 個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)時(shí)，解決其總線沖突問題就成了提高其工作可靠性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵和前提［6］。

4.總線沖突的解決方法

在圖 1 所示的通信網(wǎng)絡(luò)中共有 2 個(gè) BPCU 和多個(gè)RPDU 及 GCU 進(jìn)行通信， 構(gòu)成了一個(gè)含有多處理器的RS485 通信網(wǎng)絡(luò)， 由于數(shù)據(jù)的交流和傳輸均是雙向的，因此存在總線沖突問題。解決總線沖突最常見的方法是主從通信協(xié)議法。主從協(xié)議的原理如圖 2 所示，該方法將通信網(wǎng)絡(luò)中某一終端定為主處理器，主處理器依次向各從處理器發(fā)出指令（Cmd） ，從處理器根據(jù)指令將數(shù)據(jù)（Data）發(fā)送至主處理器。 該方法的缺點(diǎn)是若從處理器個(gè)數(shù)較多，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)降低，且若主處理器出現(xiàn)故障，則整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)無法正常工作。文獻(xiàn)［7］以主從通信協(xié)議為基礎(chǔ)，提出了如圖 3 所示的從處理器傳遞數(shù)據(jù)法，該方式節(jié)省了主處理器詢問從處理器的時(shí)間，提高了通信的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)［8］提出了按從處理器優(yōu)先級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，其原理如圖 4 所示。該方法由主處理器發(fā)出優(yōu)先級(jí)上報(bào)指令（Cmdp），從處理器逐個(gè)上報(bào)優(yōu)先級(jí)（PRI），掃描完一輪優(yōu)先級(jí)后，主處理器向優(yōu)先級(jí)最高的從處理器 k 發(fā)出指（Cmdk）詢問數(shù)據(jù)。優(yōu)先級(jí)法數(shù)據(jù)量小，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了提高，然而該方法中從處理器計(jì)算優(yōu)先級(jí)的算法較復(fù)雜，且整個(gè)系統(tǒng)中仍然只能有一個(gè)主處理器，無法實(shí)現(xiàn) RS485 的多主處理器通信。

除采用主從通信協(xié)議的方法解決總線沖突問題外，還有總線監(jiān)聽的方式。文獻(xiàn)［9］介紹了一種利用硬件電路監(jiān)聽總線的方法，該方法實(shí)現(xiàn)了 RS485 總線的多主通信，缺點(diǎn)是額外增加的硬件電路會(huì)對(duì) RS485 總線阻抗造成影響。 文獻(xiàn)［10］提出了一種由軟件實(shí)現(xiàn)總線偵聽、差別延時(shí)來解決 RS485 總線沖突的方法。該方法中每個(gè)節(jié)點(diǎn)由于偵聽時(shí)間的不同而具有不同的優(yōu)先級(jí)，因而能夠很好的實(shí)現(xiàn) RS485 總線多主通信，但由于優(yōu)先級(jí)的限制，某些時(shí)刻對(duì)個(gè)別緊急數(shù)據(jù)的處理實(shí)時(shí)性較差。

本文所涉及的RS485通信網(wǎng)絡(luò)中， 共由2個(gè)BPCU同時(shí)對(duì)飛機(jī)配電系統(tǒng)進(jìn)行控制，形成了一個(gè)存在 2 個(gè)主處理器和多個(gè)從處理器的通信網(wǎng)絡(luò)。2 個(gè)主處理器的存在使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無法依靠主從協(xié)議避免總線沖突;而偵聽總線的方式則會(huì)使只需做應(yīng)答的從處理器GCU 和 RPDU 的通信算法復(fù)雜化。針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)含有 2個(gè)主處理器及多個(gè)從處理器的特點(diǎn)，本文提出一種融合了主從通信原理和時(shí)差偵聽的方式來解決總線沖突。其原理如下：根據(jù)主從協(xié)議適合詢問-應(yīng)答模式的特點(diǎn)，將每個(gè) GCU 及 RPDU 作為從處理器，等待命令進(jìn)行響應(yīng);根據(jù)時(shí)差偵聽法不受 RS485 主處理器個(gè)數(shù)限制的特點(diǎn)， 將通信網(wǎng)絡(luò)中的 LBPCU 及 RBPCU 作為主處理器，由時(shí)差偵聽法來確定由哪一個(gè) BPCU 來占用總線。

本文首先在文獻(xiàn)［8］提出的基于主從通信協(xié)議的優(yōu)先級(jí)上報(bào)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。由于從處理器優(yōu)先級(jí)算法復(fù)雜，本文中主處理器僅詢問從處理器是否有數(shù)據(jù)上報(bào)，即詢問從處理器的 Y/N 狀態(tài)，從處理器上報(bào)完一輪 Y/N 狀態(tài)后，由主處理器確定向哪些從處理器詢問數(shù)據(jù)，無論哪個(gè) BPCU 發(fā)送 Y/N 狀態(tài)詢問指令或數(shù)據(jù)詢問指令，2 個(gè) BPCU 均能收到所有從處理器Y/N 狀態(tài)或數(shù)據(jù)反饋。

針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中共有 2 個(gè)主處理器的特點(diǎn)，本文采取時(shí)差偵聽總線的方式來實(shí)現(xiàn)確定以哪一個(gè) BPCU為主處理器。其原理是給 2 個(gè) BPCU 設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，具有較高優(yōu)先級(jí)的 BPCU 能夠搶占到總線的控制權(quán)。具體方法如下：首先假定 LBPCU 有最高的優(yōu)先級(jí)，需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需先偵聽總線，若發(fā)現(xiàn)總線空閑，則開始進(jìn)行延時(shí)偵聽，由于優(yōu)先級(jí)最高，LBPCU 延時(shí)偵聽需要的時(shí)間比 RBPCU 短，經(jīng)過一段時(shí)間若總線始終保持空閑狀態(tài)，則 LBPCU 可以發(fā)送數(shù)據(jù)或指令，發(fā)送完成后，LBPCU 優(yōu)先級(jí)降低，同時(shí) RBPCU 優(yōu)先級(jí)提高，RBPCU 占有最高的優(yōu)先級(jí)。

結(jié)合主從通信原理和差別延時(shí)偵聽總線的方法，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式如下：設(shè)某時(shí)刻 RS485 總線空閑，LBPCU 為最高級(jí)別主處理器，則 LBPCU 監(jiān)聽總線后可發(fā)送三種數(shù)據(jù)：一是向所有 GCU 及 RPDU發(fā)送 Y/N 狀態(tài)詢問指令 cmdY/N， 二是向部分 GCU 及RPDU 發(fā)送數(shù)據(jù)上報(bào)指令 cmdk，三是向 RBPCU 發(fā)送數(shù)據(jù)，這三種發(fā)送過程如圖 5 所示。若 LBPCU 發(fā)送了 Y/N 狀態(tài)詢問指令 cmdY/N，則 RBPCU 及 LBPCU均可得知所有 GCU 及 RPDU 是否有數(shù)據(jù)上報(bào)要求;若 LBPCU 發(fā)送了數(shù)據(jù)上報(bào)指令 cmdk， 該指令中包含需上報(bào)數(shù)據(jù)的所有從處理器的地址，這些從處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)輪報(bào)，在這個(gè)過程中，LBPCU 及 RBPCU 均接收所有數(shù)據(jù)的上報(bào); 若LBPCU向RBPCU發(fā)送了數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)中應(yīng)當(dāng)包含 LBPCU 的工作狀態(tài)。

無論 LBPCU發(fā)送了哪種數(shù)據(jù)，在動(dòng)作完成后都降低優(yōu)先級(jí)，同時(shí)RBPCU 提高優(yōu)先級(jí)， 此時(shí) RBPCU 的優(yōu)先級(jí)變?yōu)樽罡?。此后，?dāng)總線空閑時(shí)，則可由 RBPCU 控制總線，其動(dòng)作方式與 LBPCU 一致。

5.多處理器 R S 4 8 5 總線的實(shí)現(xiàn)

5.1 RS485 總線接口電路的設(shè)計(jì)

本文中 RS485 總線終端由 TI 公司的 DSPTMS320F2812 及 RS485 收發(fā)器 SN65HVD11 構(gòu)成。DSP 內(nèi)自帶了 2 個(gè)串口模塊 SCIA 和 SCIB，這兩個(gè)模塊均有串口接收引腳 SCIRXD 及串口發(fā)送引腳SCITXD。RS485 總線接口電路如圖 6 所示，其中，兩個(gè) SN65HVD11 輸出端 A 端及 B 端均分別連接至RS485 總線 A、 B， 從而形成了總線終端的雙余度接口;SN65HVD11的RE端與DE端并聯(lián)后， 與主處理器DSP的控制信號(hào) 485C 相連，構(gòu)成一個(gè)半雙工的總線接口，因此在任意時(shí)刻，該收發(fā)器只能處于接收狀態(tài)（485C為低電平） 或發(fā)送狀態(tài) （485C 為高電平） ; SN65HVD11的 R 端及 D 端分別與 DSP 的串口模塊接口 SCIRXD及 SCITXD 相連;R1 為 120Ω，是 RS485 總線的匹配電阻，在圖 1 所示的通信網(wǎng)絡(luò)中，僅有 2 個(gè)總線接口處需加入該電阻， 以滿足 RS485 總線的阻抗匹配要求;R2 為串口 SCIB 接收端的上拉電阻， 由于 DSP 的該引腳內(nèi)部沒有上拉，需外接上拉電阻保證該引腳在總線空閑時(shí)始終為高。需要注意的是，為提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減小 RS485 總線上的共模干擾等問題，需將總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地線連接起來，形成共同的低阻抗信號(hào)地。

5.2 多主通信的軟件設(shè)計(jì)

本文中所涉及的 RS485 總線通信網(wǎng)絡(luò)包括 2 個(gè)主處理器 LBPCU 及 RBPCU，多個(gè)從處理器 RPDU 及GCU。軟件設(shè)計(jì)主要包括：主處理器發(fā)送，主處理器接收，主處理器自檢測(cè)，從處理器發(fā)送，從處理器接收。由于從處理器不涉及優(yōu)先級(jí)改變及總線監(jiān)聽等過程，只是常規(guī)的指令響應(yīng)和數(shù)據(jù)發(fā)送，本文只給出主處理器發(fā)送、接收及自檢測(cè)的流程。主處理器發(fā)送數(shù)據(jù)或指令前，需偵聽總線是否空閑，完成一次數(shù)據(jù)或指令發(fā)送后，需修改優(yōu)先級(jí)。其軟件流程如圖 7 所示， 圖中 Pri 表示主處理器當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)，t 為等待時(shí)間，其計(jì)算方法如式（1）所示。

據(jù)的發(fā)送和接收過程， 串口 SCIB 監(jiān)控串口 SCIA 是否正常，實(shí)現(xiàn)通信的自檢測(cè)。串口 SCIB 實(shí)現(xiàn)自檢的過程如下：在主處理器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串口 SCIB 將串口SCIA 發(fā)送的數(shù)據(jù)讀回，若與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，則表明串口 SCIA 發(fā)送正常;在主處理器接收數(shù)據(jù)時(shí)，若串口 SCIB 接收的數(shù)據(jù)與串口 SCIA 相同，則表明串口SCIA 接收正常。自檢測(cè)的流程如圖 9 所示。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文利用 DSP 及收發(fā)器構(gòu)成了如圖1 所示的通信網(wǎng)絡(luò)， 并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。 圖10為LBPCU的串口SCIA發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，引腳 SCIATXD 及控制信號(hào) 485CA 的波形，由圖 10 可知接口電路能夠正常工作。圖 11 為LBPCU 運(yùn)行時(shí)， 串口 SCIA 的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳 SCIATXD及接收引腳 SCIARXD 上的電壓波形，由圖 11 可知，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)沒有發(fā)生總線沖突現(xiàn)象。

6.結(jié)束語

本文針對(duì)飛機(jī)配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的要求及 RS485總線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套帶有多處理器的 RS485 通信網(wǎng)絡(luò)。文章著重研究了避免 RS485 總線沖突的方法，提出了一種適用于飛機(jī)配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的避免總線沖突方法，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的通信，并避免總線發(fā)現(xiàn)沖突。該方法同樣適用于其他含有少數(shù)主處理器和多數(shù)從處理結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。