嵌入式系统应用中如何实现RS485的方向切换？

　　RS485接口具有良好的抗噪声干扰性能、长传输距离和多站能力等特点，使其成为工业控制的首选串行接口。嵌入式系统中也广泛采用RS485接口作为设备控制的串行接口。RS485采用两线差分的接线方式进行串口数据的传输。由于发送和接收都是采用这两根差分线进行，因此它是半双工工作模式。基于RS485的特点，分别讲述了通过硬件方式和软件方式来实现RS485发送和接收方向的切换，重点解决了DM8168嵌入式平台上软件实现RS485方向切换的功能。
　　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RS485标准，传送数据速率达100 kb/s时通信距离可达1200 m。
　　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。
　　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2N7002LT1G MOS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SP3072EENL/TR直接输出，高电平信号通过外部上下拉电阻来控制。
　　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。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
　　
　　图2 软件控制方法中的硬件设计
　　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5 V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UBoot2010.06和linux2.6.37。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。
　　
　　表1 软件和硬件控制方式驱动能力的对比
　　2.3 UBoot代码修改
　　需要修改的文件：
　　① board/ti/ti8168/evm.c
　　② drivers/serial/ns16550.c
　　③ include/configs/ti8168_evm.h
　　ti8168_evm.h文件中增加切换宏定义：
　　#define CONFIG_RS485_DIR_SW 1
　　evm.c文件中增加切换函数：
　　void rs485_dir_sw（int rs485_dir）{
　　if （rs485_dir ==0）
　　_raw_writel（RS485_DIR_MASK， TI81XX_GPIO1_CLEARDATAOUT）;
　　else
　　_raw_writel（RS485_DIR_MASK， TI81XX_GPIO1_SETDATAOUT）;
　　}
　　s16550.c串口驱动文件中增加RS485方向控制：
　　void NS16550_putc（NS16550_t com_port， char c）{
　　#ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW
　　rs485_dir_sw（1）;
　　#endif
　　……//此处代码省略
　　#ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW
　　while（（serial_in（&com_port-》lsr） & UART_LSR_TEMT） == 0）
　　rs485_dir_sw（0）;
　　#endif
　　}
　　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：
　　① arch/arm/machomap2/bordti8168evm.c
　　② drivers/serial/omapserial.c
　　③ include/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：
　　#define SET_RS485_RX0
　　#define SET_RS485_TX1
　　typedef void （*set_rs485_direction_t）（int rs485_dir）;//用于函数注册
　　omapserial.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。
　　void omap_rs485_dir_fun_reg（int port_num， set_rs485_direction_t rs485_dir_fun）{
　　if （port_num》=OMAP_MAX_HSUART_PORTS）
　　printk（KERN_ERR “%s， port_num error max is %d， but %d //n”， __FUNCTION__， OMAP_MAX_HSUART_PORTS-1， port_num）;
　　omap_rs485_dir_fun［port_num］= rs485_dir_fun;
　　}
　　EXPORT_SYMBOL（omap_rs485_dir_fun_reg）;
　　③ serial_omap_probe函数中对控制程序中用到的up-》port.set_rs485_direction进行赋值。
　　up-》port.set_rs485_direction= omap_rs485_dir_fun［pdev-》id］;
　　④ 默认情况下RS485处于接收状态。
　　⑤ serial_omap_enable_ier_thri函数中把RS485切换为发送状态。
　　static incline void serial_omap_enable_ier_thri（struct uart_omap_port *up）{
　　if （！（up-》ier & UART_IER_THRI）） {
　　/* rs485 dir change to tx */
　　if （up-》port.set_rs485_direction ！= NULL）
　　up-》port.set_rs485_direction（SET_RS485_TX）;
　　……//此处代码省略
　　}
　　}
　　⑥ serial_omap_stop_tx函数中把RS485切换为接收状态。
　　static void serial_omap_stop_tx（struct uart_omap_port *port）{
　　……//此处代码省略
　　if （up-》ier & UART_IER_THRI） {
　　up-》ier &= ~UART_IER_THRI;
　　serial_out（up， UART_IER， up-》ier）;
　　/* rs485 dir change to rx */
　　if （port-》set_rs485_direction ！= NULL）
　　port-》set_rs485_direction（SET_RS485_RX）;
　　}
　　}
　　⑦ transmit_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。
　　static void transmit_chars（struct uart_omap_port *up）{
　　……//此处代码省略
　　if （uart_circ_empty（xmit） || uart_tx_stopped（&up-》port）） {
　　if （up-》port.ops-》tx_empty（&up-》port）==0）
　　return;//added for last transmit
　　serial_omap_stop_tx（&up-》port）;
　　return;
　　}
　　……//此处代码省略
　　if （uart_circ_empty（xmit）） {
　　if （up-》port.ops-》tx_empty（&up-》port）==0）
　　return;//added for last transmit
　　serial_omap_stop_tx（&up-》port）;
　　}
　　}
　　⑧ arch/arm/machomap2/boardti8168evm.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。UBoot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25 μs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20 ms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。