1 RS485PRO - ein einfaches Netzwerkprotokoll Teil 1 - Low-Level Timing und Hardware.

Transkript

1 1 RS485PRO - ein einfaches Netzwerkprotokoll Teil 1 - Low-Level Timing und Hardware. 1.1 Übersicht Wenn mehrere elektronische Geräte (im folgenden Knoten genannt) miteinander kommunizieren sollen und ein gemeinsames Medium benutzt wird, so ist es notwendig sich an ein bestimmtes Protokoll zu halten, damit die Kommunikation funktioniert. Die folgenden Ausführungen beschreiben Teile eines einfachen aber zuverlässigen Protokolls, welches die Vernetzung von maximal 255 Teilnehmern erlaubt. Das Protokoll wurde ursprünglich zur Verwendung mit einem RS485-Bus entwickelt, es läßt sich aber genauso leicht auf anderen Übertragungsmedien (z. B. Infrarot oder Funk) einsetzen. Zum praktischen Einsatz kommt dieses Protokoll z. B. bei unseren Datenloggern MLOG2 (siehe Abschnitt 1.4.2). Als Voraussetzung für die nachfolgenden Ausführungen wird angenommen, daß das Protokoll auf mehreren Mikrocontrollern unter Verwendung eines RS485-Busses betrieben wird. Der Anschluß eines PCs an den Bus ist ebenfalls möglich. Der Schaltplan eines universellen RS485 auf RS232 Interfaces liegt bei. Somit steht Ihrem Mikrocontroller-Netzwerk nichts mehr im Wege. Weitere Informationen zur Realisierung der Hardware einer RS485-Schnittstelle finden Sie auch im Handbuch zu MLOG2 oder zum FLASH_M1-Modul. Die Treiber für PC (Borland C++) und Mikrocontroller stellen wir ebenfalls kostenlos im Quellcode zur Verfügung! Die Hardware - Struktur des RS485-Bus Der Aufbau eines RS485-Bussystemes ist recht einfach. Wichtigstes Bauteil ist ein Treiberbaustein, der von diversen Herstellern angeboten wird, z. B. "MAX485, MAX487, MAX487E, LT485,...". Besonders geeignet ist z. B. "MAX487E" von Maxim, er besitzt sehr gute EMV-/ESD-Eigenschaften und ermöglicht die Vernetzung von bis zu 255 Busteilnehmern (andere Bausteine lassen teilweise weniger Busteilnehmer zu, per Definition aber immer mindestens 32 Stück). Seite 1

2 RX/TX- Steuerung 2 3 RE/DE MAX485, MAX487, MAX487E, LT485 und ähnliche im DIL8-Gehäuse RXD zum µc TXD TX RX VCC GND 6 A 7 B RS485-Bus Zl (120 Ohm) Default- Pegel +5 Volt 560 Ohm Zl (120 Ohm) Device Device Device Device #1 #2 #3 Stichleitungen zu #x den Devices <10 m A B 560 Ohm GND Aufbau eines RS485-Netzwerks optional Ohm gegen GND Leitungslänge bis zu 4 km Ein RS485-Bus besteht aus einer langen Zweidrahtleitung, die an beiden Enden mit einem Widerstand abgeschlossen ist. Dieser Widerstand dient zur Vermeidung von Leitungsreflektionen uns liegt normalerweise im Bereich von etwa 120 Ohm. Die Länge des Busses darf (je nach Kabel und Baudrate) bis zu 4 km betragen. Es kann und darf immer nur ein Busteilnehmer senden. Die Empfänger entscheiden anhand der Differenz (und nicht des Wertes gegen GND, wie dies bei RS232 der Fall ist) zwischen den beiden Leitungen A und B ob eine '1' oder eine '0' empfangen wird. Dies macht den Bus sehr unempfindlich gegen Störungen. Manche Protokolle (teilweise auch aufgrund der verwendeten Hardware) erfordern einen festen "Ruhepegel" für die Sendepausen. Dieser Ruhepegel wird im einfachsten Fall durch die beiden 560 Ohm Widerstände eingestellt. Beim Anschluß an 8051-er Mikrocontroller sollte zwischen dem Portpin, der den Sender aktiviert noch ein Inverter (ein einfacher Transistor/MOSFET mit 10k Ohm Pull-Up reicht aus) vorgesehen werden ("RX/TX"- Steuerleitung), damit beim Einschalten nicht alle Busteilnehmer gleichzeitig senden. Bei Bedarf sollten GND der Knoten mit GND des RS485-Kabels (oder Schirm) über einen Widerstand ( Ohm) verbunden werden. Für den Busbetrieb selbst muß jedem Teilnehmer eine Adresse zugeordnet werden. Es ist wichtig, daß der sendende Busteilnehmer am Ende seiner "Nachricht" den Bus möglichst rasch wieder freigibt EMV/EMC-Schutzmaßnahmen Beim Betrieb von Netzwerken außerhalb des Laborbereiches sollte über Schutzmaßnahmen nachgedacht werden: ESD - Elektrostatische Entladungen Transienten durch Blitzschläge in der näheren Umgebung Störabstrahlungen Elektrostatische Entladungen sind sehr häufig und führen zu kurzen Impulsen, wobei allerdings hier beträchtliche Spannungen auftreten können (bis ca. 30 kv (!)). Manche Bausteine verkraften ESD aufgrund ihres Designs recht problemlos (z. B. der MAX487E), bei anderen ist gegebenenfalls ein Seite 2

3 Schutz notwendig. Für ESD-Impulse gibt es diverse Technische Modelle (z. B. nach IEC-801), allen gemeinsam ist, daß sich ein Kondensator von ca pf, aufgeladen auf ca. 3-10kV über einen Widerstand von ca. 0-2kOhm auf den Probanden entlädt. Transienten besitzen mehr Energie als ESD-Impulse, haben aber i. d. R. eine niedrigere Spannung.. Die Ursache für Transienten können z. B. Blitzschläge in der Umgebung sein (der Transient wird dann durch Induktionen erzeugt), aber auch ein in unmittelbarer Nähe vorbeifahrender Schnellzug kann zu Transienten führen.. Beim Auftreten von steillflankigen Signalen können Störabstrahlungen entstehen. Einige ICs begrenzen daher von sich aus die sogenannte "Slew-Rate". Dadurch wird auch die Terminierung des Kabels unkritischer. Als Ausgangsbasis für einen universellen Schutz gegen ESD und schwächere Transienten hat sich bei uns im Hause folgendes System bewährt: 2 * 50 Ohm zum RS485-Treiber A B A B Netzwerk 2 * 9.6 V 2 * 5.1 V Geräte-GND (nicht Netzwerk!) Gut geeignet sind Standard-Zenerdioden. Diese sind billig und können normalerweise kurze Impulse von bis zu einigen Ampere problemlos verkraften. Durch die antiparallele Schaltung ist die Kapazität der Schutzbeschaltung minimal, Datenraten bis zu 250 kbd sind problemlos möglich. Falls nötig, können die Zenerdioden auch durch höher belastbare Uberspannungs-Schutzdioden ersetzt werden Aufbau eines Protokolls Ein Protokoll besteht in seiner Struktur normalerweise aus verschiedenen "logischen Schichten", von denen jede für eine bestimmte "Leistung" zuständig ist. Bei der Implementierung eines Protokolles als Software sind diese einzelnen Schichten unter Umständen nicht mehr so deutlich voneinander zu unterscheiden, wie später noch gezeigt wird. Nach ISO/OSI-Standard gibt es sieben (!) Protokollschichten. Die folgende Beschreibung geht von einem einfacheren Modell aus: Rahmen-Filter und Transport: Die Informationen auf einem Bussystem werden in Datenpaketen (den sogenannten "Rahmen" verschicht). So ein Rahmen ist vergleichbar z. B. mit einem Brief: die Schicht "Rahmen-Filter und Transport" sorgt dafür, daß alle Knoten den Rahmen als solchen erkennen können ("Aha, hier ist ein Brief"), der Rahmen aber nur bei den gewünschten Empfänger landet ("Dieser Brief ist für Dich") oder genauer ("Dieser Brief ist für den Hausmeister des Hauses Nr. x (= Betriebssystem des Knotens mit der Adresse x))" oder "Dieser Brief ist für Mr. Z des Hauses Nr. y (= Anwendungssoftware des Knotens mit der Adresse y))",... Seite 3

4 Sicherungsschicht: Jeder Knoten ist mit einer Prüfsumme versehen, damit fehlerhafte Rahmen als solche erkannt werden können. Fehlerhafte Rahmen müssen von den Knoten ignoriert werden! Nur fehlerfreie Rahmen passieren diese Schicht. Anwendungsschicht: Diese Schicht wertet die Informationen des Datenpaketes aus, wobei ans Betriebssystem des Knotens adressierte Pakete ebenfalls nicht hierher gelangen können. Es ist sogar möglich, daß sich mehrer verschiedene Anwendungen eines Knotens die Datenpakete teilen! Features dieses Protokolls RS485PRO - V Stand Sehr leichte Implementierung Verwendung von Bytes als elementare Informationseinheit Frei wählbare Baudrate (sinnvoll von ca Bd bis maximal ca kBd) Hohe Sicherheit durch Verwendung einer "polynominalen" Prüfsumme Single-Master (ein Knoten dient als Master, die "Slaves" dürfen nur nach Aufforderung antworten) Leichte Integration von Repeatern, Gateways, etc. aufgrund eines festen Blockformates Geeignet für Kommunikation mit dem Internet (ein TCP/IP-Gateway ist in Vorbereitung!) 1.2 Definition der untersten beiden Schichten Zeitsteuerung: Die Rahmen müssen einem bestimmten minimalen Zeitverhalten folgen, damit die einzelnen Knoten den Anfang und das Ende eines Rahmens erkennen können. Durch diese Vorgabe ist es für die einzelnen Knoten nicht notwendig, den kompletten Datenverkehr kontinuierlich zu überwachen! Der Knoten muß lediglich den Kopf eines Rahmens lesen. Nur wenn er am Inhalt des Rahmens interessiert ist, muß er ihn aktiv lesen, im anderen Fall muß er lediglich auf den Beginn des nächsten Rahmens warten (was deutlich weniger Zeit kostet). Timeout T TO : Dies ist die Zeit, die zum Übertragen eines Bytes benötigt wird, bei 9600 Bd ( 1 Startbit, 1 Stopbit, keine Parität) wäre T TO beispielsweise 1.04 msec: 1 Byte belegt 10 Bits. Bei der Berechnung von Zeitspannen gilt es zu berücksichtigen, daß normalerweise ein Knoten ein Zeichen erst als empfangen erkennt, wenn mindestens 9 Bits, manchmal auch alle 10 Bits empfangen worden sind (abhängig von der Hardware, siehe nachfolgend). Wenn innerhalb von x * T TO kein Byte empfangen worden ist, ist das nächste empfangene Byte in jedem Fall ein Rahmenbeginn. (x ist eine Konstante und wird nachfolgend erläutert). Bis dahin evtl. empfangene (noch nicht vollständige Rahmen) müssen verworfen werden, da sie nicht vollständig waren. Im Gegensatz dazu besteht für den Knoten die Forderung, Zeichen innerhalb eine Zeitspanne y * T TO zu versenden, wobei natürlich x>y sein muß. Fehlerhaft gelesen Rahmen werden ebenfalls verworfen. Der Knoten darf nur bei fehlerfreier Abfrage antworten! Seite 4

5 Beim Senden müssen die Knoten berücksichtigen, daß zwischen den Rahmen ein Zeitschlitz bleibt, damit andere Knoten den Beginn der Rahmen erkennen können (wird noch ausführlicher erläutert). Rahmenaufbau: Ein Rahmen besteht aus mindestens 7 Bytes: Byte 0: Zieladresse: Der Wert 0 ist reserviert als "Broadcast Adresse", die für alle Knoten gleichzeitig gelten kann (bei Bedarf). Der Wert 255 sollte freigehalten werden für uninitialisierte Knoten. Byte 1,2: Datenpaketlänge ('n')in zwei Bytes (zuerst High-Byte, dann Low-Byte) des nachfolgenden Datenpaketes (oder 0 für eine Paketlänge von 65536) Byte 3: Port (ein Byte. Bytes >= 128 sind für's Betriebssystem-Kommandos reserviert!, die Bytes <128 sind für Benutzer frei) Byte 4..3+n: Datenpaket (Minimum ein Byte, siehe Datenpaketlänge) Byte 4+n, 5+n: Prüfsumme als zwei Bytes (zuerst High-Byte, dann Low-Byte) Master und Slaves RS485PRO - V Stand Der Master darf beliebig Datenpakete an die Slaves senden. Falls die Slaves antworten, dürfen sie dies frühestens nach einer gewissen Zeitspanne nach dem Empfang des letzten Bytes des entsprechenden Rahmens. Die maximale Wartezeit auf eine Antwort wird vom Master bestimmt (auf einen Meßwert muß der Master sicher länger warten, als z. B. auf eine Seriennummern-Abfrage). Auf "Broadcast Datenpakete" sollten Slaves im Netzwerkbetrieb nie antworten (wegen Kollisionen). Slaves antworten immer mit ihrer eigenen Adresse. Sofern die Hardware dies zuläßt (bei RS485 ist dies nur bedingt möglich) wäre auch ein Multi-Master-Betrieb möglich. Problematisch ist hier aber das Verhalten bei Kollisionen (also wenn gleichzeitig mehrere Knoten senden möchten). Aufgrund der niederen Datenrate kann dies leicht zu Stauungen führen. Daher wird im folgenden immer nur der Single-Master-Betrieb betrachtet Prüfsumme Die Prüfsumme berechnet sich über ein sogenanntes "Polynom". Praktisch gesehen, wird für jedes empfangene Zeichen eine kleine Routine durchlaufen, die eine interne Prüfsumme mitführt. In der Praxis kann diese Berechnung auch über eine Tabelle erfolgen (kostet Speicherplatz, spart aber Rechenzeit). Alle Bytes eines Rahmens (außer die Prüfsummenbytes selbst) gehen in die Prüfsumme mit ein. Die Prüfsumme wird mittels folgendem Algorithmus berechnet (Industriestandard): /*** Pruefsummen-Berechnung ***/ uint crc_reg; // Register fuer CRC-Berechnung /*** Process_CRC *******/ void process_crc(uchar nc){ // nc: Neues Byte uchar uci,w; crc_reg^= nc; // Einblendung im unteren Byte der CRC for(uci=8;uci;uci--){ // 8 Schleifendurchgänge Seite 5

6 } } w=crc_reg&1; crc_reg >>=1; if(w) crc_reg^=0xa001; // Beginn Senden des Antwortrahmens + CRC crc_reg=0xffff;... Senden der restlichen Bytes unter Mitführen der CRC Senden der CRC... Bei jedem Rahmenstart wir die Prüfsumme mit 0xFFFF initialisiert. 1.3 Anwendungsschicht Für die Anwendungsschicht bestehen noch keine konkreten Vorgaben. Eine grobe Selektion erfolgt durch das Port-Byte des Protokolls und liegt in der Hand des Anwenders. Port-Bytes über 128 sind für die Betriebssysteme der einzelnen Knoten reserviert und dürfen nicht verwendet werden! Die Beschreibung dieser reservierten Kommandos erfolgt in der Dokumentation zu unseren Datenloggern MLOG2. Es ist vorgesehen, daß sich das Betriebssystem des Knotens und die Anwendungssoftware des Benutzers das Protokoll teilen können: Datenpakete, die nur fürs Betriebssystem bestimmt sind (Port- Byte >= 128), werden nicht an die Anwendung weitergegeben. Im Gegenzug darf die Anwendung nur Port-Bytes <128 verwenden! Die genauen Schnittstellen können dem oben genannten Dokument entnommen werden. Bei unseren Datenloggern MLOG2 beispielsweise ist der Port 0 für ASCII-Kommunikation vorgesehen. So lassen sich problemlos "Klartexte" übertragen. 1.4 Implementierung Prüfdaten Zur Verifikation einer eigenen Implementierung, hier einige Rahmen inkl. Prüfsumme: Adresse: 0x34, 0x0001 Datenbytes, Port: 0xFF, Datenbyte: 0x23, Prüfsumme: 0x2DC4: FF 23 2D C4 Adresse: Broadcast (= alle), 0x0003 Datenbytes, Port: 0x00, Datenbytes: 0xAA, 0xBB, 0xCC, Prüfsumme: 0x8A02: FF AA BB CC 8A 02 Seite 6

7 1.4.2 Praxis - Quellcodes der Treiber für Mikrocontroller und PC Eine komplette Treiberbibliothek mit Demotreibern für PC (Borland C++) und die Implementierung für Mikrocontroller finden Sie z. B. bei unserem Datenloggersystem MLOG2 (auf unseren CDs oder unseren Internetseiten). 1.5 Zeitdefinition In diesem Abschnitt erfolgt die Definition der Zeiten zur Rahmenzuordnung. Es werden hierbei die Zeiten verwendet, bei den die Bits physikalisch auf dem Bus zu finden sind. Bei den Interrupts und Zeitberechnungen wird davon ausgegangen, daß ein Zeichen erst als empfangemn gilt, wenn alle 10 Bits gelesen worden sind. Je nach verwendetem Mikrocontroller könnte dies aber auch schon nach 9 Bits der Fall sein. Hinweis: Bei 8051-Derivaten sind's immer 10 Bit. Rahmen1 Rahmen ADR LENH... Ax Ax Ax Ax B A1 A2 Ax Zeit T_to 2 T_to Rahmen 1 wird vom Knoten nicht aktiv gelesen. Nach jedem UART-Interrupt (A) wir der Zeitzähler zurückgesetzt. Durch den Zeitzähler-Interrupt (B) erkennt der Knoten den Beginn des neuen Rahmens (Rahmen 2). Nach Auswerten der Adresse kann er entscheiden, ob er den Rahmen lesen will. Die Technik der Rahmenerkennung Im obigen Diagramm hat der Knoten kein Interesse am Inhalt des Rahmen 1. Trotzdem wird er von seiner UART (serielle Schnittstellenlogik) bei jedem eintreffenden Zeichen informiert. Dies geschieht nur dazu, daß der Knoten einen Zeitzähler zurücksetzt. Nach 2 T TO löst der Zeitzähler aus, der Knoten weiß nun, daß das nächste eintreffende Zeichen zu einem neuen Rahmen gehört. Je nach Adresse kann er sich dafür entscheiden den Rahmen 2 aktiv zu lesen (Inhalt interessiert!) oder passiv zu lesen (wartet nur auf's Ende). Bei der RS485-Schnittstelle besteht die Gefahr, daß beim Einschalten des Senders eines Knotens nicht gewollte Zeichen entstehen (z. B. durch Potentialunterschiede). Aus diesem Grund muß der Knoten vor dem Senden des ersten Zeichens eine Leerpause einfügen, die mindestens 2.5 * T TO ist (das 0.5 ist ein "Sicherheitszuschlag"), damit die anderen Knoten trotzdem in jedem Fall den neuen Rahmenstart erkennen. Das nachfolgend beschriebene PC-Interface umgeht das Problem, indem es mittels Pull-Up und Pull-Down-Widerständen die Gefahr ungewollter Zeichen auf Kosten eines höheren Stromverbrauches (Ruhestrom 6 ma) umgeht. Seite 7

8 Rahmen1 (vom Master) Rahmen2 (Antwort des Slave) ADR... CRCH CRCL Sender an ADR LENH A1 Ax Ay Az B C1 C2 C3 Cx Zeit T_to >=2.5 T_to Rahmen1 war ein Kommando. Zum Zeitpunkt Az wurde der Rahmen korrekt empfangen. Nach Az oder maximal 2 T_to später schaltet der Master seinen Sender ab. Frühestens nach 2.5 T_to nach Empfang der CRCL des Rahmen 1 darf der Slave das erste Byte senden, wobei er mind. 2.5 T_to vor Senden des ersten Bytes seinen Sender anschalten muß. Antwort eines Knotens 1.6 Ein einfaches PC-Interface Oft wird als Master des Bussystems ein PC eingesetzt. Leider ist es oftmals nicht ganz unproblematisch dem verwendeten Betriebssystem des PCs die Zeitsteuerung dieses Protokolles beizubringen. Aus diesem Grund hilft hier Elektronik "etwas nach": Zwei Widerstände ziehen den Bus aktiv auf sichere "Default-Pegel". Damit braucht der PC beim Rahmenstart keine Wartezeit einlegen, da er ja der Master ist (der PC muß dafür die Wartezeit nach dem Empfang der Antwort eines Slaves einlegen, bzw. sicherstellen, daß er nicht zu früh wieder sendet). Zum Betrieb mit dem beschriebenen Protokoll sind die Pull-Up und Pull-Down-Widerstände zu aktivieren. Wenn der Knoten am Anfang/Ende der RS485-Leitung liegt, muß der Terminator aktiviert werden (siehe Handbuch zum FLASH_M1). Normalerweise leitet das Interface Daten vom RS485-Bus an den PC (dies ist der Modus "Empfangen") Sobald Daten vom PC eintreffen, schaltet das Interface sofort auf den Modus "Senden". Über ein Monoflop wird der Modus "Senden" für eine kurze Nachlaufzeit gehalten. Diese Nachlaufzeit ist einstellbar und von der Baudrate abhängig. Die angegebenen Werte eignen sich für Baudraten von 1200 Bd und 9600 Bd. Bei anderen Baudraten muß gegebenenfalls das RC-Glied des Monoflops angepaßt werden.die Wahl der Parameter ist unkritisch: Die Zeitkonstante muß mindestens so lange sein, wie zum Übertragen eines Bytes gebraucht wird (T TO ) und darf maximal so lange sein, wie für die Übertragung von zwei Bytes gebraucht wird (T TO ). Falls in der Umschaltpause zwischen zwei Rahmen einmal die Sender zweier Knoten gleichzeitig senden, ist dies gefahrlos, da sie ja in die "gleiche Richtung" treiben. Der Schaltplan des Interface befindet sich im Anhanng. Sie können die Platinen und/oder Fertiggeräte des Interface (je nach Verfügbarkeit) preisgünstig bei uns erwerben! Bitte fragen Sie bei Interesse nach. Seite 8

9 1.6.1 Zeitsteuerung unter Windows (R) 9x/NT Windows als Multitasking-Betriebssystem ist nicht in der Lage die Zeitvorgaben des Protokolls so exakt einzuhalten und zu überwachen, wie dies für einen Mikrocontroller möglich ist. Auf der anderen Seite ist ein PC auch leistungsfähig genug, daß er ohne größere Rechenzeit-Belastung sämtliche Datenpakete lesen kann. Normalerweise düfte ein PC im beschriebenen Netzwerk entweder als Master eingesetzt werden oder als Busmonitor. Als Master kann er über die Zeitsteuerung frei verfügen, als Busmonitor muß er sowieso alle Pakete lesen. Die von uns zur Verfügung gestellten Beispieltreiber für PC (Windows 9x/NT) berücksichtigen dies, indem sie zwischen Empfangen und Senden sicherstellen, daß eine minimale Zeitspanne eingehalten wird (bei Baudraten >=9600 Bd: 10 msec, <9600 Bd: 35 msec), die aber um +/-30% schwanken kann (liegt an Windows). Stellen Sie bei Baudraten >=9600 Bd die Nachlaufzeit des PC-Interface auf den Wert von 9600 Bd und berücksichtigen Sie die Nachlaufzeit beim Antworten Ihrer Knoten! Seite 9

10 RS232 auf RS485 Konverter Einstellung der vier DIP-Schalter: 1: ON: 9600 Baud OFF: 1200 Baud 2,3: ON: Pull-Up&Down An OFF: Pull-Up&Down Aus (maximal an einem Gerät im Netzwerk auf ON, abhängig vom Protokoll, siehe Doku.) 4: ON: Terminator An OFF: Terminator Aus (Terminator jeweils am Anfang und Ende des Netzwerkkabels aktivieren) Im Bild sind alle vier DIP-Schalter auf ON gesetzt.

11

12