本帖最后由 dukedz 于 2017-8-6 16:01 编辑
历史
2009 年大二下学期，我和小夥伴们一起参与一个校企联合项目，开发一款煤矿用皮带机综合保护器， 我主要负责电路软硬件设计，因为矿井中皮带很长，保护器节点间相距约六百米， 各节点除了处理数据收发还要负责中继，为了更优的可靠性和实时性，中继部分采用 FPGA 硬件实现， 因此中继带来的延时远小于一个位长。 因为没有额外的主机，按照传统，只能指定其中一个节点为主机， 该节点负责持续发出查询命令同步所有节点之数据，但万一该主节点中途出故障下线，整个总线将会停止运行。 所以为了进一步提升系统鲁棒性及降低软件复杂性，于是我设计了一款带仲裁的 485 协议，做到节点间可以自由收发数据， 只有第一字节用做仲裁的字段使用低速传输，剩余数据使用传统 485 高速传输，在引入仲裁的同时保留了高速，当然也是由硬件实现。
软件实现数据链路层的缺点
无论是串口还是 485 通讯，传输的数据正常都是要打包发送，常见的有类似 “ff aa” 两个字节做为数据帧的开头，加上用户自定义的数据格式可以判断帧的结尾。
数据帧由 “ff aa” 开头的缺点：这些标志常与其后数据重复，如果帧数据也含有一个 “ff aa”, 那么当数据出错可能会导致解析错位，接收方误以为帧数据中的 “ff aa” 是帧头标志，而且出错之后又会影响下一个数据包导致错误继续。
数据帧以空闲状态做区分的缺点：通常不可以使用 FIFO 和 DMA 接收数据，因为那样做会导致很多帧在内存中连接在一起，无法通过时间信息来区分。 如果不使用 FIFO 和 DMA, 不仅会增加 CPU 开销，而且会对实时性有更高要求，为不同中断制定优先级顺序时会十分困难： 如果接收的优先级更高，那么每当总线有数据的时候，其它任务就会被打断； 相反如果接收的优先级较低，那么又可能会经常丢失数据。
数据帧由硬件来负责接收可避免这些问题。
在普通的 485 应用场景中，CPU 直接控制 485 接口芯片接收数据，即使该数据帧并非发给自己，CPU 也要被总线数据频繁中断，影响效率。 同时收到数据帧后还要校验以确保正确性，是一件非常占用 CPU 资源的工作。
同时，由于传统 485 只能单台主机不停查询各从机以同步数据，总线的数据一定少不了，且利用率很低，实时性和鲁棒性也差。 譬如有一个从机是一只开关，主机为了知道开关当前是否按下，要不停发送查询数据包，然后开关回覆一个包含当前状态的数据包给主机； 如果可以做到各节点均可主动发出数据包，那么当开关状态改变时，只需要发送一个数据包给主机便可，即快省又便捷。
CAN 总线的局限
为了降低 CPU 占用和自由收发数据帧，所以一部分人选择了 CAN 总线，CAN 控制器由硬件处理数据帧收发、校验，同时提供自由收发数据帧的能力（仲裁）， 但是 CAN 的数据帧最多只能传输 8 个字节数据，而且高速 CAN 最高速率只有 1 Mbps, 比 485 的标准 10 Mbps 低太多（485 速率还可以更高），而且 CAN 的版权费用导致成本很高。
最新的 CAN FD (CAN with Flexible Data-Rate) 可以支持超过 1 Mbps 的速率，但由于硬件依旧不是推挽输出，所以通常也只有 2 Mbps、3 Mbps, 而且也找不到独立的控制器芯片， 由于要兼容 CAN2.0, 加上 CAN 本身硬件较为复杂，Microchip 2015 年说计划推出 CAN FD 控制器，结果到现在也没有出来。
CAN 协议使用消息类型取代站地址，同一类型消息只能由单个节点发出，否则仲裁机制将会失效。 譬如：如果有 3 只限位开关可使电机停止，必须定义 3 个功能重复的消息：为开关 1 定义消息 “STOP1”, 为开关 2 定义消息 “STOP2”, 以此类推，最终当电机收到以上任意消息便停转。
总线上所有设备共享同一个消息分配空间，如果需要改变某个设备的消息定义，必须充分考虑是否会影响其它所有设备。
在节点本来就不多的系统中（不超过 255），仅使用单播和广播就完全够用：譬如我要同时控制四个车窗升降， 分别发送四个数据包给四个玻璃窗也不会很低效，而且当我想单独控制某一个玻璃窗时也不需要改变数据包定义； 又如，当刹车等紧急情况发生时，使用广播包可以最迅速通知到每一个节点，即便车窗不响应该命令，被紧急事务打断一下也是完全可以接受的。
CD-BUS 介绍
2017 年初，我接手一个工业机械臂的项目，为了分别调试电机电流环、速度环及位置环参数，需要实时抓出电机运行中的数据，总线上还有很多传感器，即使是正常使用数据量也会很大， 同时还要兼顾成本和电路面积，市面很多总线协议均不符合需求，为此，我把 09 年的协议命名为 CD485 协议，并推出独立的控制器模组/芯片。
CD-BUS 协议只定义数据帧格式，不规定所装载数据格式；只支持单播和广播，不支持多播；只提供硬件避让、避让后自动重传，而应答及出错处理则由上层软件负责。
当前硬件支持的特性：
• 支持 CD-BUS 多主对等通讯协议，使用发送方地址按位仲裁
• 每个数据帧可装载 253 字节数据
• 8 个接收缓冲页，2 个发送缓冲页，每个页 256 字节
• 16 位硬件 CRC 校验
• 波特率范围 412 bps 至 9 Mbps（如果需要可以支持更高）
• 仲裁字段和后续数据可设定不同波特率
• 可兼容传统 RS485 总线设备
• 支持 SPI 和 I2C 接口
• 配置和使用简单
CD-BUS 协议
如果把两个波特率设置同等大小，便可以在保留仲裁机制的同时与传统 485 硬件进行通讯，传统硬件优先级设置高于 CD485 节点， 由 CD485 节点主动避让传统节点。当然还可以关闭仲裁功能，完全使用传统通讯模式。
CD-BUS 和 CD485XX 控制器还适用于 RS485 之外的硬件媒介，譬如单线 UART 总线。
在低速率且成本非常紧的场合，也可以用单片机软件模拟实现此协议。
电路参考
完整文档
cd_bus_intro_cn_170806.pdf
(866.14 KB)
cd485b1_dm_cn_170806.pdf
(725.88 KB)
实物图（上一版本)
|
楼主
标题置顶
标题高亮
