Enrutador y ensamblador de paquetes para red RS-485 - Iberchip.net

Resumen
ENRUTADOR Y ENSAMBLADOR DE PAQUETES PARA RED RS-485
Ing. Francisco Nicolai Candelo Parra (ncandelo@netscape.net)
Ing. Christian Camargo Pedraza (ccamargopedraza@usa.net)
Ing. Giovanni Albeiro Ramirez (giovanni_ramirez@hotmail.com)
Pontificia Universidad Javeriana
Director del proyecto: Jorge Enrique Ramirez Neira
El objetivo de este proyecto fue el diseñar y construir un equipo de comunicaciones que
permitiera la conexión de puertos seriales a través de un solo medio de transmisión
utilizando el concepto de subredes y siendo de fácil manejo y administración. Actualmente
el proyecto sirve como soporte en el transporte de datos a varios trabajos de grado en el
departamento de electrónica de la facultad de ingeniería.
Introducción
Los enrutadores y ensambladores de paquetes para red RS-485 son equipos de
comunicaciones destinados al transporte de información de diversas aplicaciones que
utilizan sus puertos seriales a traves de un solo medio de transmisión (cable). La topología
física utilizada es de tipo bus (figura 1) y la topología lógica que se utiliza para la
comunicación entre los enrutadores es de tipo anillo (figura 2). La asociación lógica de
puertos de enrutadores a una aplicación se hace a través de una subred (figura 3). Cada
subred creada posee propiedades como la velocidad de transmisión, el número de bits de
datos, la paridad, los bits de parada y el control de flujo; además es completamente
independiente de otras subredes existentes.
El número máximo de enrutadores es 96, de puertos es 768 y de subredes 252. La máxima
distancia entre enrutadores es 50 metros, por lo que se podría, en conjunto con un par de
repetidores RS-485 1 tener una distancia máxima de 4750 mts. Adicionalmente, la conexión
puede ser punto – punto o multipunto (varios puertos asociados a la subred), lo que permite
“extender” las características normales del estándar RS-232.
1 Actualmente se está llevando a cabo un estudio para el diseño y construcción de los repetidores por parte de
un grupo de estudiantes de trabajo de grado

Arquitectura
Figura 1. Topología Física de la red de Enrutadores
Figura 2. Topología lógica de la red de Enrutadores
Los ENENPA 485 operan alrededor de un microcontrolador (Motorola HC12B32), una
memoria SRAM externa de 32KB, un transceiver RS-485 y desde 1 hasta 4 DUARTS
(Dual UART). El microcontrolador, las DUART y la memoria comparten un bus de datos,
la memoria y las DUART tienen buses de control separados (Ver figura 4).

BUS DE CONTROL UARTS (7 BITS)
TARJETA DE
PUERTOS 0
TARJETA DE
PUERTOS 1
TARJETA DE
PUERTOS 2
TARJETA DE
PUERTOS 3
Figura 3. Estructura de las subredes
CS
0
CS
1
CS
2
CS
3
BUS DE DATOS (8 BITS)
INTERFAZ DE RED
SPI
MCU
XC68HC912B32
CONTROL
(2 BITS)
BLOQUE DE
ALMACENAMIENTO
Figura 4. Arquitectura del ENENPA 485
SC
I
ADMINISTRACIÓN
BUS DE DIRECCIONES (14
BITS)

Modo de operación
Los enrutadores tienen tres modos básicos de funcionamiento: Inicio de la red, Maestro y
esclavo.
Inicio de la red: Esta es la fase en la que se inician todas las variables del sistema, se
definen estados iniciales para ciertos dispositivos y se determina el enrutador que tendra
el token en el arranque de la red. Todos los enrutadores inician en modo esclavo (o modo
escucha) utilizando un temporizador al final del cual pasará a modo maestro (Figura 5).
INICIO
INICIO PUERTOS
uC
INICIO SPI
SPI ESCLAVO
INICIO RAM
EXTERNA
(APUNTADORES)
GENERACION IMAGEN Y
SIGUIENTE ROUTER
DETERMINAR Y
CONFIGURAR
PUERTOS
ACTIVOS
DETERMINAR
PUERTOS EN LA
MISMA SUBRED
RETARDO FIJO
INICIA CONTADOR
ALEATORIO
INICIO
INI_PORTS
INISPI
SPISLV
INI_RAM
GEN_IMAGEN
CFG_PORTS
MISMA_SUBRED
INI_RED
DECREMENTA
CONTADOR
ALEATORIO
HAY BYTES
RECIBIDOS
?
ESPERA
PRINCIPAL
BANDERA
MAESTRO
NO
ESCLAVO
CONTADOR
ALEATORIO =
0
?
Figura 5. Inicio de la red
PRINCIPAL
SI
ESCLAVO
MAESTRO
SPIMSTR
MAESTRO
PASO_TOKEN
SPI MAESTRO PASO FICHA
BORRA BANDERA DE
MAESTRO
PRINCIPAL

Modo esclavo: En este modo, el enrutador “escucha” el medio de transmisión detectando
cualquier paquete que este dirigido ya sea hacia él o hacia alguna subred contenida en él;
verifica su validez (se utiliza codigo de detección de errores CRC – 16) y realiza una acción
dependiendo del tipo de trama (figura 6). Algunas de la tramas más relevantes son:
• Información: la información contenida en el campo de datos del protocolo se
coloca en el buffer de recepción del puerto destino.
• Paso de ficha: el enrutador lógicamente anterior hace “entrega” de la ficha, por
lo cual el que la recibe se pasa a modo maestro, previa revisión de su tabla de
enrutamiento
• Control: La información proveniente del puerto de consola es analizada,
armando la trama de respuesta correspondiente a la aplicación de control o a
otro enrutador si la solicitud no es local.
Adicionalmente al análisis de información procedente de los enrutadores, se elabora una
encuesta periódica a las DUARTS; extrayendo la información residente en su buffer interno
y pasándola directamente a memoria.
NO
ESCLAVO
SPI ESCLAVO
BANDERA
ULTIMO
MAESTRO
?
NO
HAY
ENCABEZAD
O
?
HAY BYTES
RETARDO =
DECREMENTA
SI INICIO RETARDO
RECIBIDOS NO
0
SI
RETARDO
?
?
SI
GENERA IMAGEN
DE TRAMA RECIBIDA
ES
MODIFICACIÓN
DE PUERTO
?
SI
PUERTO
ES DATOS
?
SI
NO
HAY
TRAMA
COMPLETA
?
CALCULA CRC
SI
NO
ES PASO
FICHA
?
NO
NO
CRC OK
?
ES
SOLICITUD
DE RTX
?
SI SI
SI
DATOS TOKEN
NO
SPISLV
ESPERA
ES
MODIFICACIÓ
N DE SUBRED
?
SI
SUBRED
SI
ESPERA2
MOV_INFO CAL_CRC
M_PUERTO
NO
TRAMA_MALA
ES
MODIFICACIÓN
DE TABLA
?
SI
TABLA
MARCAR
SOLICITUD DE
RTX
NO
Figura 6. Estado esclavo
NO
ES DEL
ADMINISTRA
DOR
?
ES DE DATOS O
RETRANSMISIÓN
?
ES SOLICITUD
DE
INFORMACIÓN
PUERTOS
?
SI
INFORMACÓN
PUERTOS
SI
ES RTX
?
SI
RETRANSMISION
NO
ESPERA_LINEA
NO
ALMACENA
ROUTER ORIGEN
PUERTO
SI
ES SOLICITUD
DE
ESTADÍSTICAS
?
SI
ESTADISTICAS
SOY
ADMINISTRA
DOR
?
SI
ADMINISTRACION
ESCLAVO
DATOS TOKEN MARCAR_RTX R_TX ANA_SCI
M_SUBRED M_TABLA_E
ESPERA
SOL_INF_PUERTOS
ESPERA
SOL_EST
PASO FICHA
2
INCREMENTA
CONTADOR DE
TRAMAS ERRONEAS
RECIBIDAS
MARCA PARA
SOLICITUD DE
RETRANSMISIÓN DE
ADMINISTRACIÓN
ES RESET DE
ESTADISTICAS
?
SI
RESET
ESTADISTICAS
NO
RES_EST

Modo maestro: En este modo el enrutador empieza a revisar cada uno de los espacios de
memoria asignados a cada puerto y a armar los paquetes teniendo en cuenta la tabla de
enrutamiento, la cual le informa al enrutador hacia que subred se debe dirigir el paquete.
Por último se envían las tramas de reenvío que se solicitaron mientras el enrutador se
encontraba en modo esclavo. También se envían las tramas dedicadas a administración ya
sea al puerto de consola local o al enrutador que tenga conectado el sistema de
administración (ver figura 7).
Protocolo utilizado
Para toda la comunicación del sistema se diseñó un protocolo de transmisión de datos
exclusivo, teniendo en cuenta las características más relevantes de protocolos estándar
como son Frame Relay, ATM o Token Ring, entre otros.
Es un protocolo de longitud variable orientado a byte y a conexión, cuenta con campos de
subred o enrutador de origen y/o destino, campo de control, campo de datos y campo de
CRC tanto la comunicación de alta velocidad como la comunicación con la aplicación de
administración utilizan este protocolo (figura 8).
Conclusiones
Se construyeron 4 enrutadores y 7 tarjetas de puertos completamente funcionales (Figura 9,
10) con las siguientes características:
• Fuente de alimentación 120 Vac.
• Consumo de potencia: máximo 2 W.
• Capacidad de uno hasta ocho puertos seriales EIA/TIA 574 (DB-9) configurables en
en número de bits de datos (5 bits, 6 bits, 7bits y 8 bits), tipos de paridad (habilitada
o deshabilitada), bits de parada (1, 1 1/2 y 2), velocidad (600,1200, 1800, 2400,
3600, 48009600, 14400 y 19200 bps) y control de flujo (hardware, Xon/Xoff o
ninguno).
• Panel frontal con indicadores de encendido del equipo, voltaje de programación y
actividad de los puertos.
• Sistema de administración local o remoto.

Figura 7. Modo Maestro
7 6 5 4 3 2 1 0
0 BANDERA
1 DIRECCIÓN DE DESTINO
2 DIRECCIÓN DE ORIGEN
3 PUERTO TIPO DE TRAMA
4 R R NÚMERO DE BYTES DE DATOS
0 – 64
MAESTRO
SPI MAESTRO
POLL UARTS
POLL BUFFERS
INICIO VARIABLES
RECIBIÓ TRAMAS
ERRADAS
?
NO
HAY SOLICITUDES
DE RETRANSMISIÓN PARA
EL PUERTO 0
HAY SOLICITUDES
DE RETRANSMISION PARA
EL PUERTO 7
MAESTRO0
SI
SOLICITUD DE
RETRANSMISIÓNES
CARGAR
APUNTADORES DE
ULTIMA TRANSMISIÓN
RETRANSMITIR
INFORMACIÓN
INFORMACIÓN
BORRA BANDERA DE
RETRANSMISIÓN
CARGAR
CARGAR
HAY SUFICIENTES
NO SI VARIABLES
VER_BANDERAS
APUNTADORES
DATOS
GENERALES
?
NO
ADMINISTRACIÓN
PASO FICHA
FIN MAESTRO
SI
MAESTRO7
SI
ADMON
CARGAR
APUNTADORES DE
ULTIMA TRANSMISIÓN
CARGAR
APUNTADORES
NO
PASO_TOKEN
CRC LSB
CRC MSB
Figura 8. Protocolo de comunicaciones
NO
RETRANSMITIR
INFORMACION
HAY SUFICIENTES
DATOS
MAESTRO1
RE_TX
SI
RE_TX
BORRA BANDERA DE
RETRANSMISIÓN
CARGAR
VARIABLES
GENERALES
MS_PTO
ALMACENA
APUNTADORES
MAESTRO1
VER_BANDERAS
ENVIA INFORMACION A
PUERTOS LOCALES DE LA
MISMA SUBRED
VER_BANDERAS
ALMACENA
APUNTADORES
VER_BANDERAS
ENVIA INFORMACION A
PUERTOS LOCALES DE LA
MISMA SUBRED

Figura 9. Vista interior ENENPA 485
Figura 10. ENENPA 485 (Vista exterior)