2019年07月27日 | RS485通信基础理论与STM32测试

1.优劣

优势：RS485的可靠传输距离远，接线简单成为了相对于RS232的最大优势。

不足：RS485总线是一种常规的通信总线，它不能够做总线的自动仲裁，也就是不能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率必然较低，数据冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适应用RS485总线。同时由于RS485总线上通常只有一台主机，所以这种总线方式是典型的集中—分散型控制系统。一旦主机出现故障，会使整个系统的通信限于瘫痪状态，因此做好主机的在线备份是一个重要措施。

2. 硬件层协议

通讯协议主要是实现两个设备之间的数据交换功能，通讯协议分硬件层协议和软件层协议。硬件层协议决定数据如何传输问题，比如要在设备1向设备2发送0x63，0x63的二进制数为0110 0011，这8个二进制数从设备1传输到设备2，涉及到1怎么传，0怎么传的问题，这就是硬件层要解决的问题。 

硬件层协议目前比较多见的有RS-232、RS-485、SPI、IIC等。RS-232规定，线上的电压为x伏都表示传输的是0，y伏传输的则是1。再者，比如要选择多少条线传输数据，选择什么材质的线传输输入，这些也属于硬件层协议约束的。

3.RS-485通讯协议

MCU管脚输出TTL电平,TTL电平的意思是，当MCU管脚输出0电平时，一般情况下电压是0V，当MCU管脚输出1电平时，电压是5V。因TTL电平的是由一条信号线，一条地线产生，信号线上的干扰信号会跟随有效信号传送到接收端，使得有效信号受到干扰，485通讯实际上是把MCU出来的TTL电平通过硬件层的一个转换器芯片进行转换: 

把MCU出来的一条的TTL信号经过芯片转换为两根线(线A、线B)上的信号。当MCU给转换器输入低TTL电平时，转换器会使得B的电压比A的电压高，反之，A的电压比B的电压高。 

485协议规约两条电平线上差值为多少表示0或者1，电压是通过仪表可以测量得到的，所以说RS-485是硬件层协议。 

485协议的接收端可能是另一个MCU，MCU管脚也只接受TTL电平，转换芯片过来的是两条线的电压，所以需要对此两条线差分电压转换为TTL电平。 

把TTL转为485，实质是一个集成芯片，其间无任何程序代码，纯粹硬件逻辑。同理，将485电平转为TTL也是如此。现在很多芯片把接收和转换都集成到一块IC，注意，转换器和接收器依旧是没有同时工作的，常见的转换芯片是MAX485。 

可以这样理解，硬件层协议是公路，路的目的是为了让车辆能够过去。

4.半双工通讯

首先了解什么是单工通讯，单工通讯是指数据只能朝着一个方向传输的通讯方式。而半双工通讯则是指对于通讯两端，不能同时相对方法发送数据，必须错开时间段发送。 

RS-485的通讯线只有2条，且这两条通讯线在一次传输中都需要用到，因此485只可实现半双工通讯。485实现半双工通讯，会遇到一个问题，MCU1向MCU2发数据时，并不知道线上是否正传来MCU2数据，因为没有其他线可用来判断对方的收发状态，那么可能也会导致数据冲突。因此，RS-485要实现半双工通讯，就需要上层的软件协议加以规约，也就是做到”不能你想发数据就发数据”。可以理解，软件层协议就好像交通规则，它能让数据有序传输。

5.基本电路

三种常用电路如下：

5.1 基本的RS485电路

上图是最基本的RS485电路,R/D为低电平时，发送禁止，接收有效，R/D为高电平时，则发送有效，接收截止。上拉电阻R7和下拉电阻R8，用于保证无连接的SP485R芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，提高RS485节点与网络的可靠性，R7，R8，R9这三个电阻，需要根据实际应用改变大小，特别是使用120欧或更小的终端电阻时，R9就不需要了，此时R7，R8使用680欧电阻。正常情况下，一般R7=R8=4.7K，R9不要。

图中钳位于6.8V的管V4，V5，V6，都是为了保护RS485总线的，避免受外界干扰，也可以选择集成的总线保护原件。另外图中的L1，L2，C1，C2为可选安装原件，用于提高电路的EMI性能.

5.2 带隔离的RS485电路

根本原理与基本电路的原理相似。使用DC-DC器件可以产生1组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于向RS485收发器提供+5V电源。电路中的光耦器件速率会影响RS485电路的通信速率。上图中选用了NEC的光耦PS2501，受其影响，该电路的通讯速率控制在19200bps下。

5.3 自动切换电路

上图中，TX,RX引脚均需要上拉电阻，这一点特别重要。

接收：默认没有数据时，TX为高电平，三极管导通，RE为低电平使能，RO收数据有效，MAX485为接收态。

发送：发送数据1时，TX为高电平时，三极管导通，DE为低电平，此时收发器处于接收状态，驱动器就变成了高阻态，也就是发送端与AB断开了，此时AB之间的电压就取决于AB的上下拉电阻了，A为高电平、B为低电平，也就成为了逻辑1了。

发送数据0时，TX为低电平，三极管截止，DE为高电平，驱动器使能，此时正好DI是接地的，也就是低电平，驱动器也就会驱动输出B为1，A为0，也就是所谓的逻辑0了。

理解自收发的作用，关键是要理解RE和DE的作用，尤其是DE为0时，驱动器与AB之间就是高阻态，也就是断开状态，而且AB都要有上下拉电阻。然后就有了逻辑0-1之间的切换了。所以很巧妙，但是这里也有一个很明显的bug，也就是只适用于“半双工”，如果是全双工，就不行了，因为TX为1时，接收使能，此时从机如果回复数据，那么也就乱了。

基本原理了解了，除了使用三极管实现，还可以使用施密特触发器，也就是所谓的“非”门，来显现，如下图所示：

基本原理与三极管相同，TX为1时，经过施密特触发器进行“非”运算，DE为0，则接收使能，驱动器呈高阻态，此时AB的电平就是上下拉电阻的电平，也就是逻辑1。TX为0时，DE为1，发送使能，由于DI接地，也就是0，AB输出也是0.

6.SP3485内部结构图： 

图中： 

A、B总线接口，用于连接485总线。RO是接收输出端，DI是发送数据收入端，RE是接收使能信号（低电平有效），DE是发送使能信号（高电平有效）。

SP3485硬件连接： 

注意： 

R55和R56是两个偏置电阻，用来保证总线空闲时，AB之间的电压差都会大约200mV，避免总线空闲时压差不定逻辑混乱。

7. RS485串口编程

7.1 编程思路

使用RS485实现两个MCU之间的通信，把接收到的数据通过串口助手显示在超级终端上。首先对Usart1和Usart2进行初始化，Usart1负责与串口助手通信，Usart2与RS485连接进行两个MCU之间的通信。然后编写发送和接收函数，接收函数在Usart2的中断服务函数中实现。最后把接收到的数据和必要的提示信息发送到超级终端上显示。

7.2 功能模块代码

①串口初始化

void Uart1_Init(void)

{

    //USART1 初始化

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);        //开启GPIOA时钟

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);       //开启USART1时钟

    //串口1对应引脚复用映射

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1);     //GPIOA9复用为USART1

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1);    //GPIOA10复用为USART1

    //USART1端口配置

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;     //GPIOA9,GPIOA10

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;                //复用功能

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;           //速度50MHz

    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;              //推挽复用输出

    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;                //上拉

    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);                       //初始化PA9,PA10

    //USART1 端口配置

    USART_InitStructure.USART_BaudRate      = 115200;

    USART_InitStructure.USART_WordLength    = USART_WordLength_8b;

    USART_InitStructure.USART_StopBits      = USART_StopBits_1;

    USART_InitStructure.USART_Parity        = USART_Parity_No;

    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

    USART_InitStructure.USART_Mode          = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); 

    USART_Cmd(USART1, ENABLE);  //使能串口1

    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);          //开启相关中断

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    //Usart1 NVIC 配置

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;       

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3; 

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =3;       

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;         

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);                         

}

void Uart2_Init(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);        

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);       

     //串口2对应引脚复用映射

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource2,GPIO_AF_USART2);     

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_USART2);     

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;                        

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;               

    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                  

    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;                    

    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);                                   

    //USART2 端口配置

    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;

    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;

    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;

    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;

    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; 

    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); 

    USART_Cmd(USART2, ENABLE);  

    USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);      

    //Usart2 NVIC 配置

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;   

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =2;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;     

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); 

}

②接收数据

void USART2_IRQHandler(void)

{

    static u32 rx_i=0;

   if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)

   {     

        USART_ClearITPendingBit(USART2,USART_IT_RXNE); //清除标志位

        rx_buf[rx_i++] = USART_ReceiveData(USART2);    //rx_buf是在main.c定义的全局变量

        while(USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TXE) == RESET); 

   }

   rx_flag = 1;

}

③RS485初始化 

（SP3485的RE,DE引脚与MCU的PG8引脚相连接）

void Rs485_Init(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);   

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_8;        

    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_OUT; 

    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; 

    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; 

    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP;  

    GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);     

//  RS485_TX_EN = 0; //默认为接收模式

}

④主函数

int main(void)

{

    char *tx_buf = "I believe I can fly!";

    u8 len;

    Led_Init();

    Key_Init();

    Systick_Init();

    Uart1_Init();

    Uart2_Init();

    Rs485_Init();

    printf("Usart test succeeded!rn");

    while(1)

    {

        if(!KEY0)            //KEY1按键按下

        {                    

            delay_ms(10);    //消抖动

            if(!KEY0)