第41章 RS-485通讯实验
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本章参考资料：《STM32F4xx中文参考手册》USART章节。
学习本章时，配合本书前面的《USART—串口通讯》及《CAN—通讯实验》章节进行对比学习，效果更佳。
关于实验板中使用的MAX485收发器资料可查阅《MAX485》规格书了解。
41.1 RS-485通讯协议简介
与CAN类似，RS-485是一种工业控制环境中常用的通讯协议，它具有抗干扰能力强、传输距离远的特点。RS-485通讯协议由RS-232协议改进而来，协议层不变，只是改进了物理层，因而保留了串口通讯协议应用简单的特点。
41.1.1 RS-485的物理层
从《CAN—通讯实验》章节中了解到，差分信号线具有很强的干扰能力，特别适合应用于电磁环境复杂的工业控制环境中，RS-485协议主要是把RS-232的信号改进成差分信号，从而大大提高了抗干扰特性，它的通讯网络示意图见图 411。
图 411 RS-485通讯网络示意图
对比CAN通讯网络，可发现它们的网络结构组成是类似的，每个节点都是由一个通讯控制器和一个收发器组成，在RS-485通讯网络中，节点中的串口控制器使用RX与TX信号线连接到收发器上，而收发器通过差分线连接到网络总线，串口控制器与收发器之间一般使用TTL信号传输，收发器与总线则使用差分信号来传输。发送数据时，串口控制器的TX信号经过收发器转换成差分信号传输到总线上，而接收数据时，收发器把总线上的差分信号转化成TTL信号通过RX引脚传输到串口控制器中。
RS-485通讯网络的最大传输距离可达1200米，总线上可挂载128个通讯节点，而由于RS-485网络只有一对差分信号线，它使用差分信号来表达逻辑，当AB两线间的电压差为-6V~-2V时表示逻辑1，当电压差为+2V~+6V表示逻辑0，在同一时刻只能表达一个信号，所以它的通讯是半双工形式的，它与RS-232通讯协议的特性对比见图 411。
表 411 RS-232/422/485 标准对比
|
通讯标准 |
信号线 |
通讯方向 |
电平标准 |
通讯距离 |
通讯节点数 |
|
RS232 |
单端TXD、RXD、GND |
全双工 |
逻辑1：-15V~-3V 逻辑0：+3V~+15V |
100米以内 |
只有两个节点 |
|
RS485 |
差分线AB |
半双工 |
逻辑1：-6V~-2V 逻辑0：+2V~+6V |
1200米 |
支持多个节点。支持多个主设备，任意节点间可互相通讯 |
RS-485与RS-232的差异只体现在物理层上，它们的协议层是相同的，也是使用串口数据包的形式传输数据。而由于RS-485具有强大的组网功能，人们在基础协议之上还制定了MODBUS协议，被广泛应用在工业控制网络中。此处说的基础协议是指前面串口章节中讲解的，仅封装了基本数据包格式的协议(基于数据位)，而MODBUS协议是使用基本数据包组合成通讯帧格式的高层应用协议(基于数据包或字节)。感兴趣的读者可查找MODBUS协议的相关资料了解。
由于RS-485与RS-232的协议层没有区别，进行通讯时，我们同样是使用STM32的USART外设作为通讯节点中的串口控制器，再外接一个RS-485收发器芯片把USART外设的TTL电平信号转化成RS-485的差分信号即可。
41.2 RS-485—双机通讯实验
本小节演示如何使用STM32的USART控制器与MAX485收发器，在两个设备之间使用RS-485协议进行通讯，本实验中使用了两个实验板，无法像CAN实验那样使用回环测试(把STM32 USART外设的TXD引脚使用杜邦线连接到RXD引脚可进行自收发测试，不过这样的通讯不经过RS-485收发器，跟普通TTL串口实验没有区别)，本教程主要以"USART—485通讯"工程进行讲解。
41.2.1 硬件设计
图 412 双CAN通讯实验硬件连接图
图 4016中的是两个实验板的硬件连接。在单个实验板中，作为串口控制器的STM32从USART外设引出TX和RX两个引脚与RS-485收发器MAX485相连，收发器使用它的A和B引脚连接到RS-485总线网络中。为了方便使用，我们每个实验板引出的A和B之间都连接了1个120欧的电阻作为RS-485总线的端电阻，所以要注意如果您要把实验板作为一个普通节点连接到现有的RS-485总线时，是不应添加该电阻的！
由于485只能以半双工的形式工作，所以需要切换状态，MAX485芯片中有"RE"和"DE"两个引脚，用于控制485芯片的收发工作状态的，当RE引脚为低电平时，485芯片处于接收状态，当DE引脚为高电平时芯片处于发送状态。实验板中使用了STM32的PD11直接连接到这两个引脚上，所以通过控制PD11的输出电平即可控制485的收发状态。
要注意的是，由于我们的实验板485使用的信号线与液晶屏共用了，为防止干扰，平时我们默认是不给485收发器供电的，使用485的时候一定要把485接线端子旁边的"C/4-5V"排针使用跳线帽与"5V"排针连接起来进行供电，并且把液晶屏从板子上拔下来；而又由于实验板的RS-232与RS-485通讯实验都使用STM32的同一个USART外设及收发引脚，实验时注意必须要把STM32的"PD5引脚"与MAX485的"485_D"及"PD6"与"485_R"使用跳线帽连接起来(这些信号都在485接线端子旁边的排针上)。
要实现通讯，我们还要使用导线把实验板引出的A和B两条总线连接起来，才能构成完整的网络。实验板之间A与A连接，B与B连接即可。
41.2.2 软件设计
为了使工程更加有条理，我们把RS485控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在"串口实验"之上新建"bsp_485.c"及"bsp_485.h"文件，这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。这个实验的底层STM32驱动与串口控制区别不大，上层实验功能上与CAN实验类似。
1. 编程要点
(1) 初始化485通讯使用的USART外设及相关引脚；
(2) 编写控制MAX485芯片进行收发数据的函数；
(3) 编写测试程序，收发数据。
2. 代码分析
485硬件相关宏定义
我们把485硬件相关的配置都以宏的形式定义到"bsp_485.h"文件中，见代码清单 242。
代码清单 411 485硬件配置相关的宏(bsp_485.h文件)
1 /*USART号、时钟、波特率*/
2 #define RS485_USART USART2
3 #define RS485_USART_CLK RCC_APB1Periph_USART2
4 #define RS485_USART_BAUDRATE 115200
5
6 /*RX引脚*/
7 #define RS485_USART_RX_GPIO_PORT GPIOD
8 #define RS485_USART_RX_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD
9 #define RS485_USART_RX_PIN GPIO_Pin_6
10 #define RS485_USART_RX_AF GPIO_AF_USART2
11 #define RS485_USART_RX_SOURCE GPIO_PinSource6
12
13 /*TX引脚*/
14 #define RS485_USART_TX_GPIO_PORT GPIOD
15 #define RS485_USART_TX_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD
16 #define RS485_USART_TX_PIN GPIO_Pin_5
17 #define RS485_USART_TX_AF GPIO_AF_USART2
18 #define RS485_USART_TX_SOURCE GPIO_PinSource5
19
20 /*485收发控制引脚*/
21 #define RS485_RE_GPIO_PORT GPIOD
22 #define RS485_RE_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD
23 #define RS485_RE_PIN GPIO_Pin_11
24
25 /*中断相关*/
26 #define RS485_INT_IRQ USART2_IRQn
27 #define RS485_IRQHandler USART2_IRQHandler
以上代码根据硬件连接，把与485通讯使用的USART外设号、引脚号、引脚源以及复用功能映射都以宏封装起来，并且定义了接收中断的中断向量和中断服务函数，我们通过中断来获知接收数据。
初始化485的USART配置
利用上面的宏，编写485的USART初始化函数，见代码清单 243。
代码清单 412 RS485的初始化函数(bsp_485.c文件)
1
2 /*
3 * 函数名：RS485_Config
4 * 描述：USART GPIO 配置,工作模式配置
5 * 输入：无
6 * 输出 : 无
7 * 调用：外部调用
8 */
9 void RS485_Config(void)
10 {
11 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
12 USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
13
14 /* 配置 USART时钟 */
15 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RS485_USART_RX_GPIO_CLK|
16 RS485_USART_TX_GPIO_CLK|
17 RS485_RE_GPIO_CLK, ENABLE);
18 RCC_APB1PeriphClockCmd(RS485_USART_CLK, ENABLE);
19
20 /* TX 引脚源*/
21 GPIO_PinAFConfig(RS485_USART_RX_GPIO_PORT,RS485_USART_RX_SOURCE, RS485_USART_RX_AF);
22
23 /* RX 引脚源*/
24 GPIO_PinAFConfig(RS485_USART_TX_GPIO_PORT,RS485_USART_TX_SOURCE,RS485_USART_TX_AF);
25
26 /* USART GPIO配置 */
27 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
28 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
29 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
30 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
31
32 /*TX*/
33 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RS485_USART_TX_PIN;
34 GPIO_Init(RS485_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
35
36 /*RX */
37 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RS485_USART_RX_PIN;
38 GPIO_Init(RS485_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
39
40 /* 485收发控制管脚 */
41 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
42 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
43 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
44 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RS485_RE_PIN ;
45 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
46 GPIO_Init(RS485_RE_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
47
48 /* USART 模式配置*/
49 USART_InitStructure.USART_BaudRate = RS485_USART_BAUDRATE;
50 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
51 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
52 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
53 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
54 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
55
56 USART_Init(RS485_USART, &USART_InitStructure);
57 /*使能USART*/
58 USART_Cmd(RS485_USART, ENABLE);
59
60 /*配置中断优先级*/
61 NVIC_Configuration();
62 /* 使能串口接收中断 */
63 USART_ITConfig(RS485_USART, USART_IT_RXNE, ENABLE);
64
65 /*控制485芯片进入接收模式*/
66 GPIO_ResetBits(RS485_RE_GPIO_PORT,RS485_RE_PIN);
67 }
与所有使用到GPIO的外设一样，都要先把使用到的GPIO引脚模式初始化，配置好复用功能，其中用于控制MAX485芯片的收发状态的引脚被初始化成普通推挽输出模式，以便手动控制它的电平输出，切换状态。485使用到的USART也需要配置好波特率、有效字长、停止位及校验位等基本参数，在通讯中，两个485节点的串口参数应一致，否则会导致通讯解包错误。在实验中还使能了串口的接收中断功能，当检测到新的数据时，进入中断服务函数中获取数据。
使用中断接收数据
接下来我们编写在USART中断服务函数中接收数据的相关过程，见代码清单 244，其中的bsp_RS485_IRQHandler函数直接被bsp_stm32f4xx_it.c文件的USART中断服务函数调用，不在此列出。
代码清单 413 中断接收数据的过程(bsp_485.c文件)
1 //中断缓存串口数据
2 #define UART_BUFF_SIZE 1024
3 volatile uint16_t uart_p = 0;
4 uint8_t uart_buff[UART_BUFF_SIZE];
5
6 void bsp_RS485_IRQHandler(void)
7 {
8 if (uart_p<UART_BUFF_SIZE) {
9 if (USART_GetITStatus(RS485_USART, USART_IT_RXNE) != RESET) {
10 uart_buff[uart_p] = USART_ReceiveData(RS485_USART);
11 uart_p++;
12
13 USART_ClearITPendingBit(RS485_USART, USART_IT_RXNE);
14 }
15 } else {
16 USART_ClearITPendingBit(RS485_USART, USART_IT_RXNE);
17 }
18 }
19
20 //获取接收到的数据和长度
21 char *get_rebuff(uint16_t *len)
22 {
23 *len = uart_p;
24 return (char *)&uart_buff;
25 }
26
27 //清空缓冲区
28 void clean_rebuff(void)
29 {
30 uint16_t i=UART_BUFF_SIZE+1;
31 uart_p = 0;
32 while (i)
33 uart_buff[--i]=0;
34 }
这个数据接收过程主要思路是使用了接收缓冲区，当USART有新的数据引起中断时，调用库函数USART_ReceiveData把新数据读取到缓冲区数组uart_buff中，其中get_rebuff函数可以用于获缓冲区中有效数据的长度，而clean_rebuff函数可以用于对缓冲区整体清0，这些函数配合使用，实现了简单的串口接收缓冲机制。这部分串口数据接收的过程跟485收发器无关，是串口协议通用的。
切换收发状态
在前面我们了解到RS-485是半双工通讯协议，发送数据和接收数据需要分时进行，所以需要经常切换收发状态。而MAX485收发器根据其"RE"和"DE"引脚的外部电平信号切换收发状态，所以控制与其相连的STM32普通IO电平即可控制收尾，为简便起见，我们把收发状态切换定义成了宏，见代码清单 245。
代码清单 414 切换收发状态(bsp_485.h文件)
1 /// 简单的延时
2 static void RS485_delay(__IO u32 nCount)
3 {
4 for (; nCount != 0; nCount--);
5 }
6
7 /*控制收发引脚*/
8 //进入接收模式,必须要有延时等待485处理完数据
9 #define RS485_RX_EN() RS485_delay(1000);
10 GPIO_ResetBits(RS485_RE_GPIO_PORT,RS485_RE_PIN);
11 RS485_delay(1000);
12 //进入发送模式,必须要有延时等待485处理完数据
13 #define RS485_TX_EN() RS485_delay(1000);
14 GPIO_SetBits(RS485_RE_GPIO_PORT,RS485_RE_PIN);
15 RS485_delay(1000);
16
这两个宏中，主要是在控制电平输出前后加了一小段时间延时，这是为了给MAX485芯片预留响应时间，因为STM32的引脚状态电平变换后，MAX485芯片可能存在响应延时。例如，当STM32控制自己的引脚电平输出高电平(控制成发送状态)，然后立即通过TX信号线发送数据给MAX485芯片，而MAX485芯片由于状态不能马上切换，会导致丢失了部分STM32传送过来的数据，造成错误。
发送数据
STM32使用485发送数据的过程也与普通的USART发送数据过程差不多，我们定义了一个RS485_SendByte函数来发送一个字节的数据内容，见代码清单 246。
代码清单 415 发送数据(bsp_485.c文件)
1
2 /***************** 发送一个字符 **********************/
3 //使用单字节数据发送前要使能发送引脚，发送后要使能接收引脚。
4 void RS485_SendByte( uint8_t ch )
5 {
6 /* 发送一个字节数据到USART1 */
7 USART_SendData(RS485_USART,ch);
8 /* 等待发送完毕 */
9 while (USART_GetFlagStatus(RS485_USART, USART_FLAG_TXE) == RESET);
10
11 }
12
上述代码中就是直接调用了STM32库函数USART_SendData把要发送的数据写入到USART的数据寄存器，然后检查标志位等待发送完成。
在调用RS485_SendByte 函数前，需要先使用前面提到的切换收发状态宏，把MAX485切换到发送模式，STM32发出的数据才能正常传输到485网络总线上，当发送完数据的时候，应重新把MAX485切换回接收模式，以便获取网络总线上的数据。
3. main函数
最后我们来阅读main函数，了解整个通讯过程，见代码清单 2414。这个main函数的整体设计思路是，实验板检测自身的按键状态，若按键被按下，则通过485发送256个测试数据到网络总线上，若自身接收到总线上的256个数据，则把这些数据作为调试信息打印到电脑端。所以，如果把这样的程序分别应用到485总线上的两个通讯节点时，就可以通过按键控制互相发送数据了。
代码清单 416 main函数
1
2 /**
3 * @brief 主函数
4 * @param 无
5 * @retval 无
6 */
7 int main(void)
8 {
9
10 char *pbuf;
11 uint16_t len;
12
13 LED_GPIO_Config();
14
15 /*初始化USART1*/
16 Debug_USART_Config();
17
18 /*初始化485使用的串口，使用中断模式接收*/
19 RS485_Config();
20
21 LED_BLUE;
22
23 Key_GPIO_Config();
24
25 printf(" 欢迎使用秉火 STM32 F429 开发板。 ");
26 printf(" 秉火F429 485通讯实验例程 ");
27
28 printf(" 实验步骤： ");
29
30 printf(" 1.使用导线连接好两个485通讯设备 ");
31 printf(" 2.使用跳线帽连接好:5v --- C/4-5V,485-D --- PD5,485-R ---PD6 ");
32printf(" 3.若使用两个秉火开发板进行实验，给两个开发板都下载本程序即可。 ");
33 printf(" 4.准备好后，按下其中一个开发板的KEY1键，会使用485向外发送0-255的数字 ");
34 printf(" 5.若开发板的485接收到256个字节数据，会把数据以16进制形式打印出来。 ");
35
36 while (1) {
37 /*按一次按键发送一次数据*/
38 if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON) {
39 uint16_t i;
40 LED_BLUE;
41 //切换到发送状态
42 RS485_TX_EN();
43
44 for (i=0; i<=0xff; i++) {
45 RS485_SendByte(i); //发送数据
46 }
47
48 /*加短暂延时，保证485发送数据完毕*/
49 Delay(0xFFF);
50 RS485_RX_EN();//切换回接收状态
51
52 LED_GREEN;
53 printf(" 发送数据成功！ "); //使用调试串口打印调试信息到终端
54
55 } else {
56 LED_BLUE;
57
58 pbuf = get_rebuff(&len);
59 if (len>=256) {
60 LED_GREEN;
61 printf(" 接收到长度为%d的数据 ",len);
62 RS485_DEBUG_ARRAY((uint8_t*)pbuf,len);
63 clean_rebuff();
64 }
65 }
66 }
67 }
在main函数中，首先初始化了LED、按键以及调试使用的串口，再调用前面分析的RS485_Config函数初始化了RS-485通讯使用的串口工作模式。
初始化后485就进入了接收模式，当接收到数据的时候会进入中断并把数据存储到接收缓冲数组中，我们在main函数的while循环中(else部分)调用get_rebuff来查看该缓冲区的状态，若接收到256个数据就把这些数据通过调试串口打印到电脑端，然后清空缓冲区。
在while循环中，还检测了按键的状态，若按键被按下，就把MAX485芯片切换到发送状态并调用RS485_SendByte函数发送测试数据0x00-0xFF，发送完毕后切换回接收状态以检测总线的数据。
41.2.3 下载验证
下载验证这个485通讯实验需要您有两个实验板，操作步骤如下：
(1) 按照"硬件设计"小节中的图例连接两个板子的485总线；
(2) 使用跳线帽连接 : 485_R<--->PD6、485_D<--->PD5、C/4-5V<--->5V ;
(3) 用USB线使实验板"USB TO UART"接口跟电脑连接起来，在电脑端打开串口调试助手，编译本章配套的程序，并给两个板子都下载该程序，然后复位。
（4）复位后在串口调试助手应看到485测试的调试信息，按一下其中一个实验板上的KEY1按键，另一个实验板会接收到报文，在串口调试助手可以看到相应的发送和接收的信息。