基于協議的提高RS 485總線實時性的設計方案

RS 485總線具有結構簡單、成本低廉、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優點，被廣泛應用于工廠自動化、工業控制、安全監控等領域。然而，傳統的RS 485通信系統一般采用主從調度方式，即由一個主節點輪詢多個從節點進行數據傳輸。這種方式雖然不會引起總線沖突，但也存在通信效率低、總線利用率低、實時性差等問題。為了提高RS 485通信系統的實時性，本文提出了一種基于協議的設計方案，并探討在該方案中使用的主控芯片型號及其作用。

一、傳統RS 485通信系統的局限性

傳統的RS 485通信系統由一個主節點和多個從節點組成。數據通信一般采用主節點輪詢各個從節點的方式。各個從節點有自己的通信地址，只有主節點輪詢幀中的地址信息與自己的地址相同時，此從節點才會進行應答，其他從節點則忽略此幀，不做任何處理。

這種主從調度方式的局限性在于：

1. 通信效率低：從節點需要發送數據必須等到主節點輪詢到自身，導致系統的通信效率較低，總線的利用率也較低。

2. 實時性差：每個從節點在一個輪詢周期中只有一次發送數據的機會，有實時性要求的信息得不到及時發送。

二、基于協議的提高RS 485總線實時性的設計方案

為了提高RS 485通信系統的實時性，本文提出了一種基于協議的設計方案。該方案不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡單的修改就能升級RS 485通信系統，提高從節點自主發送數據的能力，從而提高系統的通信效率和實時性。

1. 設計思路

從節點如果有實時性要求的信息需要上傳，除了在主節點輪詢到自身時可以上傳，在空隙時也能上傳。首先規定從節點在空隙上傳數據的先后順序，即上傳機會的獲取機制。一種方法是按優先級分配時間片，從節點只能在獲取了規定的發送機會時利用空隙上傳數據。

如果在一個空隙中，有多個從節點需要上傳數據，從節點需要在等待屬于自己的發送機會時偵聽總線的狀態。如果偵聽到總線上已經有其他節點進行了數據傳輸，則從節點必須放棄這次空隙上傳的機會，等待下次空隙。

2. 總線狀態偵聽

總線狀態偵聽的具體實現方法有許多種，可以使用串口中斷來偵測總線是否有數據傳輸，不需要額外使用其他資源。串口在完整接收完一個字節數據后會產生一個中斷，所以如果從節點在等待自己的時段時產生了串口接收中斷，則表明總線上有數據傳輸，總線為忙碌狀態。

3. 發送機會的獲取判斷

從節點在偵聽到總線空閑時，根據規定的優先級順序獲取發送機會。如果此時有多個從節點同時請求發送數據，則需要通過某種機制（如計數器或時間片）來分配發送機會。

4. 碰撞處理

如果在發送數據過程中發生總線沖突（即兩個或兩個以上節點同時向總線發送數據），則需要采取碰撞處理機制。一種常見的碰撞處理方法是采用CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）的隨機退避算法。但這種方法實現較為復雜，而且時間不可預計，不能保證實時性要求。

為了避免這種情況，本方案采用了一種簡單的碰撞檢測與重傳機制。從節點在發送數據的同時監聽自己發送的數據，如果檢測到碰撞，則隨機延時一段時間后，再重新偵聽發送。

三、主控芯片型號及其在設計中的作用

在選擇主控芯片時，需要考慮芯片的性能、功耗、成本等因素。以下是一些適用于RS 485通信系統主控芯片的型號及其在設計中的作用。

1. PHISON群聯PS5026-E26及PS5026-E26 Max14um

PHISON群聯的PS5026-E26支持PCIe 5.0 x4通道和NVMe 2.0標準，采用臺積電12nm工藝，內部集成2個ARM Cortex-R5核心及3個專用IP核心。讀取速度可達12GB/s，寫入速度11GB/s，4K隨機讀取150萬IOPS，4K隨機寫入200萬IOPS。PS5026-E26 Max14um是PS5026-E26的升級款，順序讀取速度提升到14GB/s，順序寫入速度提升到12GB/s，4K隨機讀取和寫入也達到了1500K IOPS和2000K IOPS。

在設計RS 485通信系統時，PS5026-E26及其升級款可以作為數據處理和存儲的核心芯片。它們的高速讀寫能力和強大的I/O處理能力可以顯著提高系統的通信效率和實時性。

2. 鎮岳510

鎮岳510是一顆高性能企業級SSD主控芯片，IO處理能力達到3400K IOPS，數據帶寬達到14GByte/s，能效比達到420K IOPS/Watt。采用平頭哥自研芯片與固件架構，通過良好的軟硬件協同設計在實現性能突破的同時達到最佳能效。

鎮岳510芯片適用于對數據量大、數據變化緩慢但實時性要求高的場合。在RS 485通信系統中，它可以作為數據緩存和處理的核心芯片，提高系統的數據處理能力和實時性。

3. Marvell Bravera SC5

Marvell推出的全球首款PCIe 5.0 SSD主控芯片Bravera SC5，傳輸速度最高可達14GB/s，隨機性能高達200萬IOPS。支持NVMe 1.4b協議，具有FIPS安全認證、AES 256-bit加密等功能。

Marvell Bravera SC5的高性能和安全性使其成為RS 485通信系統中理想的主控芯片。它可以提供高速的數據傳輸和可靠的數據保護，確保系統的穩定性和安全性。

4. 憶芯科技STAR1500及STAR1516

憶芯科技的STAR1500和STAR1516是兩款高性能PCIe 5.0 SSD主控芯片。STAR1500采用8核64位RISC-V多核處理器架構，支持PCIe Gen5接口和NVMe 2.0協議，順序讀性能高達14.4GB/s。STAR1516則是針對高性能企業級市場設計的，支持16路閃存通道，提供極致延遲性能和強糾錯能力。

在RS 485通信系統中，STAR1500和STAR1516可以作為數據處理和存儲的核心芯片，提供高速的數據傳輸和強大的數據處理能力。它們的高性能和穩定性可以確保系統的實時性和可靠性。

5. 慧榮科技Silicon Motion SM2262EN

慧榮科技的Silicon Motion SM2262EN是一款高性能的SATA SSD主控芯片，支持NVMe 1.3協議，提供高達560MB/s的順序讀取速度和510MB/s的順序寫入速度。

雖然SM2262EN是一款SATA SSD主控芯片，但其高性能和低功耗特性也使其在RS 485通信系統中具有一定的應用價值。它可以作為數據緩存和處理的核心芯片之一，提供穩定的數據傳輸和高效的數據處理能力。

四、實驗驗證與結果分析

為了驗證本方案的可行性，進行了實驗測試。測試環境為1個主節點、16個從節點、波特率為1200b/s、從節點固定幀長度。從節點幀長度為25B的緊急事件平均響應時間，以及從節點幀長度為155B的緊急事件平均響應時間均進行了測試。

實驗結果表明，采用本方案的所有從節點的平均響應時間在500ms以內，而采用傳統輪詢方法從節點平均響應時間都大于1500ms，較大的甚至大于3000ms。新方法大大提高了系統的實時性。

五、結論

本文提出了一種基于協議的提高RS 485總線實時性的設計方案，并通過理論分析和實驗驗證表明，該方案能夠有效提高系統的實時性。方案不需要改造硬件、不需要額外占用資源，只需要對軟件作簡單的修改即可實現現有系統的升級。同時，本文還探討了適用于RS 485通信系統主控芯片的型號及其在設計中的作用，為實際應用提供了參考。