RS485總線是工業應用中非常成熟的技術，是現代通信技術的工業標準之一。RS485總線用於多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實現，採用平衡發送和差分接收，即在發送端驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出，在接收端接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。根據RS485標準，傳送數據速率達100 kb/s時通信距離可達1200 m。
RS485在嵌入式系統中的應用非常廣泛。嵌入式系統可以通過RS485接口來控制終端設備。由於RS485是半雙工模式，因此發送和接收的方向切換需要我們的關注和研究。如果方向切換方式選擇不好可能會導致RS485驅動能力下降、軟件執行效率下降，甚至導致系統異常等問題。
本文分別給出硬件實現RS485方向切換和軟件實現RS485方向切換兩種方式。兩種方式各有優點，硬件方式控制起來比較簡單。軟件方式的驅動能力更好，但是和嵌入式平臺關係比較密切，不同的平臺都需要調試和驗證。
1 硬件方式控制RS485方向
圖1所示爲硬件控制RS485的電路圖。電路中使用2N7002LT1G MOS場效晶體管把UART_TXD_485這個MCU輸出的RS485發送信號邏輯取反後送給RS485芯片的RE/DE PIN腳。控制的原理是，當UART_TXD_485輸出低電平時RS485芯片的DE使能；輸出高電平時RE使能。默認情況下UART_TXD_485是高電平，RS485芯片處於接收狀態。發送數據時，UART_TXD_485上面有高低電平信號變化，低電平信號通過RS485芯片SP3072EENL/TR直接輸出，高電平信號通過外部上下拉電阻來控制。
這種方法的優點是控制簡單，軟件不需要做額外的工作，控制RS485像控制RS232一樣。但是這種方法的缺點是驅動能力可能不足，由於這種控制方法沒有完全發揮出RS485驅動芯片自身的驅動能力，輸出信號依賴於外部上下拉電阻，因此在複雜環境下，譬如很多負載需要控制時，就會存在驅動能力不足的問題。但是在一些簡單的環境或者軟件實現較複雜的平臺下，使用這種方法還是切實可行的。
圖1 硬件控制RS485電路圖
2 軟件方式控制RS485方向
2.1 驅動能力分析
在複雜的RS485控制環境下，用上面介紹的硬件方式來控制RS485的方向會存在比較突出的驅動能力不足的問題。修改上述控制方法，將TTL這一側的2線控制改爲3線控制，就是將收發控制信號不用當前的/TXD來控制，而從主控分出一根GPIO線來控制收發。
按照輸出電流計算，3線控制方式相對用2線控制的總線上下拉作爲輸出的方式，其驅動能力提高了25～50倍（不同廠家不同型號有差異），如果輔以終端電阻靈活配置的措施，RS485的驅動能力將完全不是問題。表1是兩種控制方式驅動能力的對比。
2.2 軟硬件環境
圖2 軟件控制方法中的硬件設計
軟件控制方法採用圖2的硬件設計，圖中很突出的修改是使用MCU的GPIO來控制RE和DE。RS485芯片的供電採用5 V供電，提高驅動能力。RS485芯片的RE和DE控制使用MCU的GPIO輸出高低電平來控制。簡單來說就是，在RS485進行數據傳輸時，通過GPIO來控制傳輸方向。這裏採用的MCU是TI公司的DM8168處理器來實現軟件的RS485切換功能。軟件版本使用UBoot2010.06和linux2.6.37。用軟件來實現RS485的收發，儘量要保證執行效率；要達到上面的目的就需要對串口驅動進行調試，使用串口驅動用到的軟件資源和串口控制器本身的硬件資源來實現RS485的控制。
表1 軟件和硬件控制方式驅動能力的對比
2.3 UBoot代碼修改
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文件中增加切換宏定義：
#define CONFIG_RS485_DIR_SW 1
evm.c文件中增加切換函數：
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串口驅動文件中增加RS485方向控制：
void NS16550_putc(NS16550_t com_port, char c){
#ifdef CONFIG_RS485_DIR_SW
rs485_dir_sw(1);
#endif
……//此處代碼省略
#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表示發送BUF和移位寄存器爲空。默認情況下RS485是接收狀態，一旦要發送數據，就把RS485切換爲發送狀態。發送完數據後，等待發送BUF和移位寄存器爲空，然後切換回接收狀態，這裏無需使用timeout。
2.4 Linux代碼修改
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結構體中增加set_rs485_direction函數指針，用於執行RS485的方向切換void (*set_rs485_direction)(int rs485_dir);原本考慮在uart_ops結構體中增加的，但是這個結構體是常量類型，對它不作改動，因此加到了uart_port結構體中。在該文件中添加相關宏定義和函數指針類型用於函數註冊：
#define SET_RS485_RX0
#define SET_RS485_TX1
typedef void (*set_rs485_direction_t)(int rs485_dir);//用於函數註冊
omapserial.c文件主要做了如下幾點改動：
① 添加omap_rs485_dir_fun全局的函數指針。
static set_rs485_direction_t omap_rs485_dir_fun[OMAP_MAX_HSUART_PORTS]={NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL}
② 外部驅動利用omap_rs485_dir_fun_reg註冊函數對omap_rs485_dir_fun進行賦值。
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函數中對控制程序中用到的up->port.set_rs485_direction進行賦值。
up->port.set_rs485_direction= omap_rs485_dir_fun[pdev->id];
④ 默認情況下RS485處於接收狀態。
⑤ serial_omap_enable_ier_thri函數中把RS485切換爲發送狀態。
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);
……//此處代碼省略
}
}
⑥ serial_omap_stop_tx函數中把RS485切換爲接收狀態。
static void serial_omap_stop_tx(struct uart_omap_port *port){
……//此處代碼省略
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，原先的代碼是當沒有更多的字符要發送(環形緩衝爲空)時需要關閉發送中斷，這時串口控制器發送BUF和移位寄存器中還是有數據的，這些數據串口控制器自動發送完成後纔算結束，由於已經關閉了發送中斷，因此發送結束後就沒有中斷產生了。但是RS485切換方向需要等到完全發送完成後才能進行。因此對transmit_chars函數做了修改。調用serial_omap_stop_tx函數前判斷髮送BUF和移位寄存器是否爲空，如果爲空就可以切換方向了。簡而言之，延後了發送中斷的關閉時間。
static void transmit_chars(struct uart_omap_port *up){
……//此處代碼省略
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;
}
……//此處代碼省略
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函數中調用omap_rs485_dir_fun_reg函數註冊RS485切換函數。
2.5 實驗結果分析
上述軟件修改有如下幾個優點：不增加硬件開銷；不增加和使用任何硬件資源；不增加軟件開銷；不影響軟件執行效率；硬件控制是電信號控制，方向切換和TX綁定；軟件控制是整個發送緩衝區完成發送後再進行方向切換，控制實現上更加合理。
對軟件切換RS485做了基本的測試，情況如下：
① 控制檯操作。整個啓動打印信息正常。UBoot和Kernel下控制效果和硬件控制一樣，可以很流暢地進行命令的輸入和回顯，串口終端增加輸入字符間的延時後可以進行配置的粘貼。內核在115 200和38 400下分別進行測試OK。
② 內核下加大負責進行大數據量的發送。增加負載，開多個ping包進程(產生大量中斷)、Nand Flash的操作、CPU佔有率接近100%條件下，通過RS485輸出大量數據，沒有亂碼，校驗OK。
③ 極高的實時性。
由於本文給出的軟件實現方式是基於Linux內核實現的，因此很好地保證了方向控制的實時性。實際結果顯示，DM8168數據發送完成到產生方向控制信號之間的時間在25 μs左右，幾乎可以忽略不計。而有些設計在用戶空間使用應用程序進行方向切換的方法會導致20 ms以上的延時，導致了一系列異常問題的產生。
結語
本文詳細描述了RS485方向控制的硬件和軟件兩種實現方式。兩種控制方式各有特點，硬件控制方式實現簡單，不需要軟件干預，對軟件而言RS485串口收發就像RS232一樣簡單。軟件控制方式可以極大地提高整個RS485線路的驅動能力，本文給出的基於Linux內核的控制方法又很好地保證了RS485方向切換的實時性，滿足了實用性要求。這兩種方式在很多場合已經得到了很好的應用和驗證。特別是軟件實現方式，可以擴展到更多的應用場合，譬如複雜的多主、多從的RS485使用環境，軟件控制可以根據自己的需求來實現整個RS485線路不同的數據流向，可以規避某個設備對RS485鏈路上異常信號的干擾，給實際應用帶來了很多的便利性。