摘  要：本文介绍了在嵌入式实时操作系统Vxworks下串行设备的驱动架构及实现，提出了一种基于RS-485总线的新型串口通信协议，重点讨论了基于这种协议的应用程序的设计方法，发送时主要采用了总线仲裁机制，接收时主要采用了字符合法性校验、长度校验、内容的CRC校验，提高了系统的通信效率和稳定性。
关键词：VxWorks；RS-485；通信协议；总线仲裁；CRC校验

 RS-485总线

RS-485总线接口是一种常用的串口，具有网络连接方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测到低达200mv的电压，可靠通信的传输距离可达数千米。使用RS-485总线组网，只需一对双绞线就可实现多系统联网构成分布式系统、设备简单、价格低廉、通信距离长。

VxWorks中串口驱动的实现

VxWorks 操作系统是美国Wind River公司设计开发的嵌入式实时操作系统(RTOS)，是嵌入式开发环境的关键组成部分。Vxworks 操作系统的I/O 系统可以提供简单、统一、与任何设备无关的接口。这些设备包括：面向字符设备、随机块存储设备、虚拟设备、控制和监视设备以及网络设备。Vxworks 的I/O 系统包括基本I/O 系统和缓冲I/O 系统，具有比其他I/O 系统更快速，兼容性更好的特性。这对于实时系统是很重要的。

     串口驱动架构

基于vxWorks的串口设备驱动程序架构，对vxWorks的虚拟设备ttyDrv进行封装，向上将TTY设备安装到标准的I/O系统中，上层应用通过标准的I/O 接口完成对硬件设备的操作，向下提供对实际硬件设备的底层设备驱动程序。其软件架构如图1所示。

由图1可知，串口设备驱动由两部分组成，一部分为对ttyDrv进行封装，将串行设备安装到标准的I/O系统中，提供对外的接口；另一部分为串行设备驱动程序，提供对硬件设备的基本操作。

虚拟设备ttyDrv管理着I/O系统和真实驱动程序之间的通信。在I/O系统方面，虚拟设备ttyDrv作为一个字符型设备存在，它将自身的入口点函数挂在I/O系统上，创建设备描述符并将其加入到设备列表中。当用户有I/O请求包到达I/O系统中时，I/O系统会调用ttyDrv相应的函数响应请求。同时，ttyDrv管理了缓冲区的互斥和任务的同步操作。另一方面，ttyDrv负责与实际的设备驱动程序交换信息。通过设备驱动程序提供的回调函数及必要的数据结构，ttyDrv将系统的I/O请求作相应的处理后，传递给设备驱动程序，由设备驱动程序完成实际的I/O操作。

     驱动初始化

串口设备的初始化xxDevInit流程如图2。

设备驱动的初始化过程首先调用系统函数ttyDrv()，该函数通过调用iosDrvInstall()将ttyOpen()、ttyIoctl()、tyRead()、tyRead、tyWrite安装到系统驱动函数表中，供I/O系统调用。

接着根据用户入参对串口芯片寄存器进行初始化，安装驱动函数指针。

最后调用系统函数ttyDevCreate()创建ttyDrv设备。该函数初始化设备描述符，调用tyDevInit()函数初始化tyLib、初始化select功能、创建信号量和输入输出缓冲区，调用iosDevAdd()函数将设备添加到设备列表中并将设备置为中断模式。

驱动模块初始化成功后，应用程序就可以用标准的I/O函数read()和write()收发数据了。

RS-485通信协议

    485通信帧格式

表 1   485通信帧格式

长度字段不包含控制字段、检验字段。校验字段使用CCITT的CRC16的校验方法。校验字段默认是加上的，只有在发送方的CPU负荷比较大时，并且能够保证本帧出现的错误不会对系统产生潜在的和现实的影响，或者保证影响在可以控制在一定范围内并且可以忍受时，才考虑取消校验字段。当接收方接收到帧的总长度减去长度字段值与帧头的长度之和，得到的结果为2时，表明发送方附带了校验和。

    485数据链路层帧

表 2  485链路层帧格式

头标志是任意个数的连续的字符0x7E，尾标志也是任意个数的连续的字符0x7E。预定头标志为1Byte，尾标志为2Bytes，在发送方的CPU认为发送完毕最后一个尾标志字符时，保证第一个尾标志字符能够完全到达目的设备。发送方除头标志或尾标志之外，不允许出现0X7E，若遇到0X7E，则拆分成0X7D，0X5E；若出现0X7D，则拆分成0X7D，0X5D传送。

串行通信应用程序设计

   初始化配置

• 创建一个51200Bytes的接收环形缓冲区，用来存放剩余的或不成帧的数据：g_tRecvRingId = rngCreate(51200);
• 串口设备描述符为 “myCom”，打开串口并创建设备读写描述符：

g_sdwChannelFD = open(“myCom”, O_RDWR, 0);

• 设置波特率：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOBAUDRATE, g_RS485LinkCB[i].sdwBaudRate);
• 清空接收、发送缓存：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOFLUSH,0);
• 工作模式设置：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOSETOPTIONS, OPT_RAW);

     通信发送过程

在发送之前，发送方需要按照双方约定的485通信帧格式将消息组帧，并按照约定数据链路传输协议组成485的数据链路帧。接下来就是如何发送数据包了。

在RS-485通信中，发送过程主要采取了总线仲裁机制：

在向485总线写数据时，主设备先写一字节的地址请求，所有的从设备均会收到，只有地址与之相等的从设备端口打开，其他设备全部关闭。这样，主设备与从设备之间的通信就是点对点的。

每一个从设备均有一根请求线与主设备相连，若从设备需要与主设备通信时，先通过请求线进行请求，当请求成功后，从设备应能检测到总线上的地址与自身地址相同，从设备才能打开发送中断，才能发送消息，发送完之后必须关闭发送中断，释放总线，以保证其他从设备这段时间能与主设备正常通信，提高通信效率。

RS-485通信发送流程图如图3所示。

    通信接收过程

对于串口通信，仍然要关心数据接收的实时性，因此采用中断方式，利用VxWorks 提供的select 函数的事件触发机制，将读串口的任务阻塞使其一直等待数据，当有数据来到的时候该任务会立刻自动响应，提高系统的实时性，调用read( )接收数据并存入先前创建的接收环形缓冲区g_tRecvRingId中直至缓冲区g_tRecvRingId满或接收完链路上的数据，接下来就是根据通信协议来处理数据包――解帧处理过程。

接收方判断开始485通信帧的条件是，设备不报告接收错误的情况下，接收到0x7E字符之后的第一个非0x7E的字符。判断帧结束的条件是，帧接收已经开始，遇到第一个尾标志字符。在两个0X7E间若收到0X7D，则丢弃，并将其后的一个字节数据与0X20异或。

当链路层的通信帧接收已经开始的情况下，设备报告字符接收错误，此时应当丢弃本帧，结束帧的接收，重新开始搜索下一帧。

长度字段后面的字节个数不等于长度字段指示，并且也不等于长度字段加2时，指示长度错误，作无效帧。帧长度小于帧头的长度的帧视为无效帧。当接收的字符个数超过最大的485通信帧字节数——262时，也认为接收错误，重新开始搜索头标志，检出下一帧数据。

超时保护：如果接收收方在接收一帧数据时，在未接收完一帧时，超过20ms（2个Ticks）仍未有数据到达，则认为本帧数据接收结束，并将其丢弃。

在允许进行校验的情况下，对接收到的帧进行CRC校验。如果校验字段与帧的校验结果不符，认为帧出错，通常作丢弃处理。

帧头中，目的地址与接收单元不匹配时，丢弃该帧。