飞道的博客

STM32通信接口RS485

2021-05-15 09:42 204人阅读  评论(0)

18.1关于 RS485

RS485是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）于1983年发布的串行通信接口标准，经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A

RS485具有支持多节点（32个节点）、传输距离远（最大1219m）、接收灵敏度高（200mV电压）、连接简单（在构成通信网络时，仅需要一对双绞线作传输线）、能抑制共模干扰（差分传输）、成本低廉等特点，在多站、远距离通信等多种工控环境中获得了广泛应用。

RS485比RS232晚出现20多年，很多RS232的缺点，在RS485上有了改进。

RS232的电平从-15V至+15V，较高的电平值易损坏接口电路的芯片，而RS485采用差分信号后，电平范围为-6V至+6V，相对不易损坏接口电路芯片，同时RS485接口信号电平与TTL信号电平兼容，便于连接TTL电路。

RS232传输速率比较低，传输速率为20Kbps，而RS485最高传输速率达10Mbps。过高的传输速率会降低传输距离，在实际应用中，RS485传输速率往往设置为9600bps或更低。

RS232采用逻辑电平，共地传输容易产生共模干扰，抗噪声干扰性弱，传输距离有限，常用传输距离就几十米左右。而RS485采用平衡发送和差分接收方式，具有抑制共模干扰的能力，加之总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，因此RS485的传输距离达到千米以外。

RS232在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力，而RS485在总线上允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，可以利用单一的RS485方便地建立起设备网络，如图 18.1.1 所示，为RS485通信网络结构。

在RS485通信网络中，通常使用485收发器将TTL电平转换成RS485的差分信号。MCU的串口控制器TxD发送数据，经485收发器转换成差分信号，传输到总线上。接收数据时，485收发器将总线上的差分信号转化成TTL信号由RxD到串口控制器。整个通信网络中，通常只有一个主机，剩下的全部为从机。在RS485总线中，通常还需要在总线起止端分别加上约120Ω的终端匹配电阻，以保证RS485总线的稳定性。

RS485同样可以使用DB9接口将信号引脚引出，实际工程中通常使用接线端子引出，如图 18.1.2 所示。图中左边的为螺钉式接线端子，适合固定连接的场合，图中右边为插拔式接线端子，适合需要调整的场合。本开发板使用的插拔式接线端子，如上图 3.3.1 中编号10部分所示。

18.2 硬件设计

如图 18.2.1 为开发板RS485部分的原理图，U16为3.3V低功耗半双工收发器，满足RS-485和RS-422标准。 USART的RX和TX，经过U16转换，变为RS485的A、B。

U16的2脚RE����为接收使能，上划线表示低电平有效，即当U16的2脚为低电平时，U16接收数据。U16的3 脚DE为输出使能，高电平有效，即当U16的3脚为高电平是，U16发送数据。

因此，RS485除了USART，还多了一个收发控制引脚，该引脚使用的PC5。R64为终端匹配电阻，阻值为120Ω。

结合前面图 17.2.1 电路和表格可知，如果需要将USART2分配给RS485使用，还要将J11（蓝色拨码开关）的1号脚拨到ON位置。

18.3软件设计

18.3.1软件设计思路

实验目的：RS485是差分信号，收发数据时，A、B都在工作。开发板也只提供了一个RS485接口，因此不能自发自收实验，需要至少两个RS485设备进行实验。这里假设两个开发板进行RS485通信，一个做主机，一个做从机，主机发送数据给从机，从机收到数据再发给主机，实现两个设备的收发数据，供读者参考和方便移植。

  1. 初始化USART1、2：设置波特率，收发选择，有效数据位等；
  2. 将所使用的串口引脚初始化：USART使能、GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为USART复用；
  3. RS485采用中断方式发送，编写中断回调函数；
  4. 主函数编写控制逻辑：按下按键KEY1（KEY_U），主机RS485发送一次数据，从机RS485接收到数据并打印，然后从机RS485发送数据，主机RS485接受到数据并打印；
  5. 在软件方面，RS485的本质跟串口没有差别，不同的地方在于：RS485在发送、接收之前，需要设置收发控制引脚。

本实验配套代码位于“5_程序源码\10_通信—RS485\”。

18.3.2软件设计讲解

  1. GPIO 引脚选择与串口选择
    本实验会用到两个串口，USART1用于调试、USART2用于RS485，在代码框架上，将每个串口都单独放在“.c”文件里，方便修改裁剪。

代码段 18.3.1 调试串口 USART1 相关宏定义（driver_usart1.h）

/*********************
* 引脚宏定义
**********************/
#define DEBUG_USART USART1
#define DEBUG_USART_RX_PIN GPIO_PIN_10
#define DEBUG_USART_TX_PIN GPIO_PIN_9
#define DEBUG_USART_PORT GPIOA
#define DEBUG_USART_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define DEBUG_USART_CLK_EN() __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE()
#define DEBUG_USART_CLK_DIS() __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE()
#define DEBUG_USART_IRQn USART1_IRQn

代码段 18.3.2 调试串口 USART2 相关宏定义（driver_usart2.h）

/*********************
* 引脚宏定义
**********************/
#define RS485 USART2
#define RS485_RX_PIN GPIO_PIN_3
#define RS485_TX_PIN GPIO_PIN_2
#define RS485_PORT GPIOA
#define RS485_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define RE_DE_PIN GPIO_PIN_5
#define RE_DE_PORT GPIOC
#define RE_DE_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE()
/*********************
* 函数宏定义
**********************/
// 此引脚高电平是发送有效接收无效；低电平时接收有效发送无效
#define RE_DE_TX() HAL_GPIO_WritePin(RE_DE_PORT, RE_DE_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define RE_DE_RX() HAL_GPIO_WritePin(RE_DE_PORT, RE_DE_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define RS485_IRQn USART2_IRQn
#define RS485_IRQHandler USART2_IRQHandler
#define RS485_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE()
#define RS485_CLK_DISABLE() __HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE()

分别定义了两个串口、对应GPIO、时钟使能，方便代码复用，同时定义了RS485的收发控制引脚。

  1. 初始化USART
    USART初始化包含两部分：协议部分和硬件部分。
    协议部分放在各自“.c”文件里，硬件部分都是调用“HAL_UART_Init()”，单独创建一个“.c”文件处理。USART1作为调试串口，初始化和前面的实验一样，这里直接跳过。USART2作为RS485，初始化如代码段 18.3.3 所示。

代码段 18.3.3 USART2 初始化（driver_usart2.c）

/*
* 函数名：void RS485_Init(uint32_t baudrate)
* 输入参数：baudrate-串口波特率
* * 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化 USART 的波特率，收发选择，有效数据位等
*/
void RS485_Init(uint32_t baudrate)
{
   
husart2.Instance = RS485; // 选择 USART2
husart2.Init.BaudRate = baudrate; // 配置波特率
husart2.Init.WordLength = USART_WORDLENGTH_8B; // 配置数据有效位为 8bit
husart2.Init.StopBits = USART_STOPBITS_1; // 配置一位停止位
husart2.Init.Parity = USART_PARITY_NONE; // 不设校验位
husart2.Init.Mode = USART_MODE_TX_RX; // 可收可发
husart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
// 使用库函数初始化 USART2 的参数
if (HAL_UART_Init(&husart2) != HAL_OK)
{
   
Error_Handler(); } }

RS485的本质还是串口，串口的初始化和之前的基本一样。RS485通常也遵循“96-N-8-1”格式，96指波特率9600，N指无校验，8指8bits数据位，1指1bit停止位。

串口协议初始化完后，都调用“HAL_UART_Init()”进行设置，在“HAL_UART_Init()”调用
“HAL_UART_MspInit()”初始化串口硬件部分。

代码段 18.3.4 USART MSP 初始化（driver_msp_usart.c）

/*
* 函数名：void AL_USART_MspInit(USART_HandleTypeDef* husart)
* 输入参数：husart-USART 句柄
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：使能 USART1、2 的时钟，使能引脚时钟，并配置引脚的复用功能
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* husart)
{
   
// 定义 GPIO 结构体对象
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {
   0};
if(husart->Instance==DEBUG_USART) {
   
// 使能 USART1 的时钟
DEBUG_USART_CLK_EN();
// 使能 USART1 的输入输出引脚的时钟
DEBUG_USART_GPIO_CLK_EN();
/**USART1 GPIO Configuration
PA9 ------> USART1_TX
PA10 ------> USART1_RX
*/
GPIO_InitStruct.Pin = DEBUG_USART_TX_PIN; // 选择 USART1 的 TX 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 配置为复用推挽功能
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引脚翻转速率快
HAL_GPIO_Init(DEBUG_USART_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 TX 引脚
GPIO_InitStruct.Pin = DEBUG_USART_RX_PIN; // 选择 RX 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT; // 配置为输入
HAL_GPIO_Init(DEBUG_USART_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 RX 引脚
}
else if(husart->Instance==RS485) {
   
// 使能 USART2 的时钟
RS485_CLK_ENABLE();
// 使能 USART2 的输入输出和方向引脚的时钟
RS485_GPIO_CLK_EN();
RE_DE_GPIO_CLK_EN();
/**USART2 GPIO Configuration
PA2 ------> USART2_TX
PA3 ------> USART2_RX
*/
GPIO_InitStruct.Pin = RS485_TX_PIN; // 选择 USART2 的 TX 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 配置为复用推挽功能
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引脚翻转速率快
HAL_GPIO_Init(RS485_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 TX 引脚
GPIO_InitStruct.Pin = RS485_RX_PIN; // 选择 RX 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; // 配置为输入
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不上拉
HAL_GPIO_Init(RS485_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 RX 引脚
GPIO_InitStruct.Pin = RE_DE_PIN; // 选择方向引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 配置为输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不上拉
HAL_GPIO_Init(RE_DE_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化方向引脚
RE_DE_RX(); // 初始化后默认处于接收状态
HAL_NVIC_SetPriority(RS485_IRQn, 1, 1); // 设置 USART2 的中断等级（0-15）（0-15）
// 规则：(0,0)最高，(0,1)次之依次由高到低排序到(15,15)
HAL_NVIC_EnableIRQ(RS485_IRQn); // 使能 USART2 的中断
} }

先后初始化了USART1和USART2的硬件部分，其中USART2设置了中断优先级和使能了中断，便可以使用“HAL_UART_Receive_IT()”和“HAL_UART_Transmit_IT()”收发数据。接着将RS485的收发函数进行封装，如代码段 18.3.5 所示。

代码段 18.3.5 RS485 收发函数（driver_usart2.c）

/*
* 函数名：void RS485_Tx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
* 输入参数：pdata->指向发送数据所存储的首地址
sz->发送数据个数
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：USART2 的发送函数
*/
void RS485_Tx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
{
   
usart2_tx_finish = 0;
RE_DE_TX();
HAL_UART_Transmit_IT(&husart2, pdata, sz); }
/*
* 函数名：void RS485_Rx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
* 输入参数：pdata->指向接收数据所存储的首地址
sz->接收数据个数
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：USART2 的接收函数
*/
void RS485_Rx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
{
   
usart2_rx_finish = 0;
HAL_UART_Receive_IT(&husart2, pdata, sz); }
  • 11行：usart2_tx_finish为一个全局变量，用来标记USART2是否发送完成。这里将其设置为0，USART2发送完成后，在中断函数将其置为1，通过该标记便可得知USART2是否发送完成；
  • 13行：RS485设备通常默认为接收状态，以方便接收数据。这里发送数据，需要手动临时改为发送状态；
  • 14行：调用串口中断函数发送数据；
  • 27行：usart2_rx_finish为一个全局变量，用来标记USART2是否接收完成。这里将其设置为0，USART2接收数据完成后，在中断函数将其置为1，通过该标记便可得知USART2是否接收到数据；
  • 29行：RS485设备通常默认为接收状态，这里无需其它设置，直接调用串口中断函数接收数据；
  1. 中断回调函数
    当USART2发生中断时，将自动调用“USART2_IRQHandler()”，“USART2_IRQHandler()”又调用“HAL_UART_IRQHandler()”，最后调用“HAL_UART_TxCpltCallback()”或“HAL_UART_RxCpltCallback()”， 在这两个回调函数里修改USART2接收/发送完成标志，以便后面查询是否收发成功。

代码段 18.3.6 USART2 中断回调函数（driver_msp_usart.c）

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
   
if(huart->Instance == RS485) {
   
usart2_tx_finish = 1;
RE_DE_RX(); } }
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
   
if(huart->Instance == RS485) {
   
usart2_rx_finish = 1; } }

在发送完成回调函数里，需要将RS485设置为默认的接收模式，以方便随时接收数据。

  1. 按键中断函数
    因为是通过按键来控制RS485主机发送数据，这里还需要编写按键中断函数。参考前面的按键中断实验，首先初始化按键引脚、设置中断优先级、使能中断，便可在发生按键事件时，自动调用中断回调函数“HAL_GPIO_EXTI_Callback()”，在中断回调函数里，修改按键标志，以便随时查询是否该按键按下，按键中断回调函数如代码段 18.3.7 所示。

代码段 18.3.7 按键中断回调函数（driver_key.c）

/*
* 函数名：void HAL_GPIO_EXTI_Callback(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：外部中断处理函数的回调函数，用以处理不同引脚触发的中断服务最终函数
*/
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
   
if(GPIO_Pin == KEY_UP_GPIO_PIN) {
   
step = 0; }
  1. 主函数控制逻辑
    RS485主机和RS485从机，通常是两套独立代码工程。但本实验中，除了主函数，其它的驱动代码都一样，因此将两个套代码公共部分共用，读者通过如图 18.3.1 所示下拉选择对应工程，即可切换RS485主机工程和RS485从机工程。

    在RS485主机的主函数如代码段 18.3.8 所示。
    代码段 18.3.8 RS485 主机主函数（master_main.c）
// 初始化 USART1，设置波特率为 115200 bps
DEBUG_USART_Init(115200);
// 初始化 USART2，设置波特率为 9600 bps
RS485_Init(9600);
// 初始化按键
KeyInit();
// 在 windows 下字符串\n\r 表示回车
// 如果工程在编译下面这句中文的时候报错，请在“Option for target”->"C/C++"->"Misc Controls"添加“ --locale=english”
printf("百问科技 www.100ask.net\n\r");
printf("RS485 收发实验\n\r");
printf("当前设备：主机\n\r");
printf("\n\r");
// 初始化 RS485 CAN 的发送信息
RS485_Msg.ID = 0x305;
RS485_Msg.length = 8;
for(i=0; i<8; i++) {
   
RS485_Msg.tx_data[i] = i;
}
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length);
while(1) {
   
if(step == 0) // KEY1 按下
{
   
RS485_Tx((uint8_t*)&RS485_Msg.tx_data[0], RS485_Msg.length);
printf("主机 ----> 从机 数据：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
   
printf("0x%x ", RS485_Msg.tx_data[i]); }
printf("\n\r");
step = 0xFF; }
if(usart2_rx_finish == 0x01) {
   
usart2_rx_finish = 0;
printf("主机 <---- 从机 数据：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
   
printf("0x%x ", RS485_Msg.rx_data[i]); }
printf("\n\r");
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length); } }
  • 1~8行：初始化调试串口、RS485和按键；
  • 17~23行：创建要发送的数据，RS485_Msg为自己创建的数据结构，包含ID、数据长度、数据内容，其中ID可用于设备识别，整个数据数据结构，可方便数据传输；
  • 25行：先接收数据，将设备设置为默认的接收模式；
  • 29~40行：如果按键按下，则按键标志step变为0，此时调用“RS485_Tx()”发送数据；
  • 42~53行：如果接到数据，则接收标志usart2_rx_finish变为1，此时将接收数据打印处理，并再次调用“RS485_Rx()”接收数据；

在RS485从机的主函数如代码段 18.3.9 所示。
代码段 18.3.9 RS485 从机主函数（slave_main.c）

// 初始化 USART1，设置波特率为 115200 bps
DEBUG_USART_Init(115200);
// 初始化 USART2，设置波特率为 9600 bps
RS485_Init(9600);
// 初始化按键
KeyInit();
// 在 windows 下字符串\n\r 表示回车
// 如果工程在编译下面这句中文的时候报错，请在“Option for target”->"C/C++"->"Misc Controls"添加“ --locale=english”
printf("百问科技 www.100ask.net\n\r");
printf("RS485 收发实验\n\r");
printf("当前设备：从机\n\r");
printf("\n\r");
// 初始化 RS485 CAN 的发送信息
RS485_Msg.ID = 0x305;
RS485_Msg.length = 8;
for(i=0; i<8; i++) {
   
RS485_Msg.tx_data[i] = i ^ 0xAB; }
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length);
while(1) {
   
if(usart2_rx_finish == 0x01) {
   
usart2_rx_finish = 0;
printf("从机 <---- 主机 数据：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
   
printf("0x%x ", RS485_Msg.rx_data[i]); }
printf("\n\r");
RS485_Tx((uint8_t*)&RS485_Msg.tx_data[0], RS485_Msg.length);
printf("从机 ----> 主机 数据：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
   
printf("0x%x ", RS485_Msg.tx_data[i]); }
printf("\n\r");
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length); } }
  • 1~8行：初始化调试串口、RS485和按键；
  • 17~23行：创建要发送的数据；
  • 25行：先接收数据，将设备设置为默认的接收模式；
  • 29~49行：如果接收到数据，先打印接收的数据，然后调用“RS485_Tx()”发送数据，最后再调用“RS485_Rx()”接收数据；

18.4实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\ 10_通信—RS485\”。准备两个开发板，连接好下载器。在Keil中，分别切换到RS485主机工程和RS485从机工程，编译，分别给两个开发板下载RS485主机程序和RS485从机程序。

将两个开发板的J11（蓝色拨码开关）的1脚拨为ON，使用配套的插拔式接线端子将两个板子的RS485接口连接，注意RS485不需要交叉，即两个开发板RS485的A对A，B对B，最后连接好两个开发板串口和电源，如图 18.4.1 所示。

启动电源后，串口会有打印当前设备是主机还是从机。按下主机的KEY1_U，主机将数据发送给从机，从机接收到数据后，发送新数据给主机，如图 18.4.2 所示。

【总结】
调试串口、RS232、RS485本质都是一样的，不同的部分由转换芯片实现，用户几乎不用关心转换实现。因此，用户只需要控制串口收发数据即可。

串口的编程，可分为三步：

  1. 初始化串口，包含串口协议的设置和硬件的初始化（引脚、中断等）；
  2. 使用对应模式（超时管理模式、中断模式、DMA模式）的串口收发函数，进行收发数据；
  3. 主函数控制收发逻辑；

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