一种用于 RS485 总线仲裁系统的波特率自适应方法

發表於 2025-03-27 更新於 2025-06-01 分類於开发笔记

方案选择

flowchart LR
%%{init: { "flowchart": { "curve": "basis" } } }%%

    subgraph SCH1 [最为稳定]
    direction LR
    SCH1_M1(M1 32bitTMR)
    SCH1_M2(M2 32bitTMR)
    SCH1_SL(SL 32bitTMR)

    SCH1_M1<-->SCH1_SL
    SCH1_M2<-->SCH1_SL
    end

    subgraph SCH2 [最低成本]
    direction LR
    SCH2_M1(M1 16bitTMR)
    SCH2_M2(M2 16bitTMR)
    SCH2_SL(SL 16bitTMR)

    SCH2_M1<-->SCH2_SL
    SCH2_M2<-->SCH2_SL
    end

    subgraph SCH3 [鱼掌兼顾]
    direction LR
    SCH3_M1(M1 32bitTMR)
    SCH3_M2(M2 32bitTMR)
    SCH3_SL(SL 16bitTMR)

    SCH3_M1<-->SCH3_SL
    SCH3_M2<-->SCH3_SL
    end

    SCH1-->SCH2-->SCH3

选型	Tmr6p	Tmr6	TmrA	Tmr2	最为稳定	最低成本	最多堆料
460		3	6			三路
4A0	4	4	12	4	一路		两路+六路

采样上限

分频系数	时钟频率	时钟周期	计数上限	计时上限	波特率	单字边沿	字节上限
1	240.000MHz	004.166ns	× 0xFFFFFFFF	= 017.895s	× 300	/ 10	= 00536 Byte
2	120.000MHz	008.333ns	× 0xFFFFFFFF	= 035.791s	× 300	/ 10	= 01073 Byte
4	060.000MHz	016.666ns	× 0xFFFFFFFF	= 071.582s	× 300	/ 10	= 02147 Byte
8	030.000MHz	033.333ns	× 0xFFFFFFFF	= 143.165s	× 300	/ 10	= 04294 Byte
16	015.000MHz	066.666ns	× 0xFFFFFFFF	= 286.331s	× 300	/ 10	= 08589 Byte
32	007.500MHz	133.333ns	× 0xFFFFFFFF	= 572.662s	× 300	/ 10	= 17179 Byte
64	003.750MHz	266.666ns	× 0xFFFFFFFF	= 1145.324s	× 300	/ 10	= 34358 Byte
128	001.875MHz	533.333ns	× 0xFFFFFFFF	= 2290.649s	× 300	/ 10	= 68716 Byte

该表格为 32 位计数器单个周期的采样上限，若实现溢出处理，理论上单帧数据不存在采样长度限制。

内存占用

特征字节	(每字节)边沿个数	采样单位	(每字节)采样长度	缓存能力	缓存大小
0x00 (N)	↓↑ = 02	× 4B (uint32_t)	= 08Byte
0x00 (N)	↓↑ = 02	× 4B (uint32_t)	= 08Byte
0x00 (N)	↓↑ = 02	× 4B (uint32_t)	= 08Byte
0xFF (N)	↓↑ = 02	× 4B (uint32_t)	= 08Byte
0xFF (O)	↓↑ = 02	× 4B (uint32_t)	= 08Byte
0xFF (E)	↓↑ = 04	× 4B (uint32_t)	= 16Byte
0x55 (N)	↓↑ = 10	× 4B (uint32_t)	= 40Byte	× 1KB	= 40KB = UINT32[10K]
0x55 (O)	↓↑ = 10	× 4B (uint32_t)	= 40Byte	× 1KB	= 40KB = UINT32[10K]
0x55 (E)	↓↑ = 10	× 4B (uint32_t)	= 40Byte	× 1KB	= 40KB = UINT32[10K]
0xAA (N)	↓↑ = 08	× 4B (uint32_t)	= 32Byte
0xAA (O)	↓↑ = 08	× 4B (uint32_t)	= 32Byte
0xAA (E)	↓↑ = 10	× 4B (uint32_t)	= 40Byte	× 1KB	= 40KB = UINT32[10K]

$T O T A L = \sum_{i = 1}^{n} (40 K B \times M i) + 1 K B$

从端不存在并发场景，所以不需要分配很大的环形缓存，通常 1KB 即可满足要求。

压力测试

baudrate = 115200

baudrate = 115200, len = 1KB, time ≈ 88ms

边界测试

baudrate = 300, len = 1KB, time ≈ 34s

延后输出

为了避免时序异常，在设置比较值 c 时通常在采样时刻 d₀ 的基础上加上一个偏置时间 t 来达到延后的效果，初始的 t₁ 由收到的第一个边沿 T₀ 和第二个边沿 T₁ 的间隔 b₁ 来确定，遵循以下公式：

$c_{1} = d_{0} + t_{1} t_{1} = r a t i o \times b_{1} b_{1} = T_{1} - T_{0}$

其中 ratio 为延后倍率。

为了进一步降低转发延迟，在当前数据流的接收过程中如果出现了更小的边沿间隔 bᵢ，则将比较值重新设置为 ci，遵循的公式如下：

$c_{i} = d_{0} + t_{i} t_{i} = r a t i o \times b_{i} b_{i} = T_{i} - T_{i - 1}$

仅仅是这样还不行，还存在比较中断已被触发，此处的程序逻辑篡改比较值的风险，所以在超过一定数量的边沿 k 即 Tk 时刻之后就不能再去更新比较值了，因此还需满足：

$t_{m i n} = r a t i o \times b_{m i n} > T_{k}$

其中 bₘᵢₙ 为当前数据流中可能出现的最小边沿间隔。

为什么不单纯使用延后若干个边沿个数的方式来控制呢？因为为了让单个的 0x00/0xFF 字节也能被正常透传，延后的边沿个数就不能超过两个，这样延后的时间太短，会出现比较中断已被触发，而新的边沿迟迟未到的情况，进而导致时序异常。

延时发送

两个主机并发抄读从机时，从端总线会非常繁忙，如果从机做得很垃圾的话（比如青岛某信的电表）则有可能无法正常响应：

在两个数据转发包之间添加一定的延时（200ms）可以避免上述情况：

当总线上只接入一个主机时，即便不延时，也不会出现从机不响应的情况，这又怎么解释呢？这是因为主机在收到应答与发送下一包数据之间的间隔大约为 250 毫秒，间接实现了延时的效果：

延时接收

从端发送完毕后建议延时 1 ~ 3 毫秒后再切至接收模式以避免收到噪声：

问题记录

(a)

现象描述: 单通道稳定，双通道乱码。
原因分析: 处理时间变长，波形畸变导致数据错误。
解决方式：可以通过开启编译器优化来暂时解决该问题，但是要彻底防范则需要优化代码或进行补偿。

(b)

现象描述: 仲裁功能异常，若干秒后恢复。
原因分析: 设置比较值时，设置值小于当前值，因此要等溢出后下一轮才会触发中断处理函数并恢复。
解决方式：一是在设置时要再三检查，二是要进行超时处理。

(c)

现象描述: 以较低波特（无校验）发送 F0 F0 F0 F0 时总是超时。
原因分析: 该数据串的边沿间隔大于超时时间，导致误判。
解决方式：设置合理的发送超时时间，不应小于可能的最大边沿间隔，或者令超时时间支持动态自适应。

(d)

现象描述: 将 M1 和 M2 接到同一个 485 主机上来测试并发处理能力时，无法收到第二个应答或者出现自环现象。
原因分析: 当 M1 向主机应答时，此时 M1 处于 Tx 状态，而 M2 仍处于 Rx 状态，所以 M2 又会收到来自 M1 的应答，这样的话从端会依次转发来自 M2 的两个请求，在转发第二个本不应该存在的请求时，第一个请求的应答可能已经来了，这样就存在相撞的风险。
解决方式：使用两个 485 主机以不同的周期不断地发出请求，然后通过示波器观察两个主机的波形，必定存在波形重叠的时刻，以此判断设备支持并发处理能力。