RS485通信原理圖及程序實例詳解

RS232 標準是誕生于 RS485 之前的，但是 RS232 有幾處不足的地方：

接口的信號電平值較高，達到十幾 V，使用不當容易損壞接口芯片，電平標準也與TTL 電平不兼容。

傳輸速率有局限，不可以過高，一般到一兩百千比特每秒(Kb/s)就到極限了。

接口使用信號線和 GND 與其它設備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。

傳輸距離有限，最多只能通信幾十米。

通信的時候只能兩點之間進行通信，不能夠實現多機聯網通信。

針對 RS232 接口的不足，就不斷出現了一些新的接口標準，RS485 就是其中之一，它具備以下的特點：

采用差分信號。我們在講 A/D 的時候，講過差分信號輸入的概念，同時也介紹了差分輸入的好處，最大的優勢是可以抑制共模干擾。尤其當工業現場環境比較復雜，干擾比較多時，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用兩根通信線，通常用 A 和 B 或者 D+和 D-來表示。邏輯“1”以兩線之間的電壓差為+(0.2~6)V 表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(0.2~6)V 來表示，是一種典型的差分通信。

RS485 通信速率快，最大傳輸速度可以達到 10Mb/s 以上。

RS485 內部的物理結構，采用的是平衡驅動器和差分接收器的組合，抗干擾能力也大大增加。

傳輸距離最遠可以達到 1200 米左右，但是它的傳輸速率和傳輸距離是成反比的，只有在 100Kb/s 以下的傳輸速度，才能達到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠距離可以使用中繼。

可以在總線上進行聯網實現多機通信，總線上允許掛多個收發器，從現有的 RS485芯片來看，有可以掛 32、64、128、256 等不同個設備的驅動器。

RS485 的接口非常簡單，與 RS232 所使用的 MAX232 是類似的，只需要一個 RS485轉換器，就可以直接與單片機的 UART 串口連接起來，并且使用完全相同的異步串行通信協議。但是由于 RS485 是差分通信，因此接收數據和發送數據是不能同時進行的，也就是說它是一種半雙工通信。那我們如何判斷什么時候發送，什么時候接收呢？

RS485 轉換芯片很多，這節課我們以典型的 MAX485 為例講解 RS485 通信，如圖 18-1所示。

圖 18-1 MAX485 硬件接口

MAX485 是美信(Maxim)推出的一款常用 RS485 轉換器。其中 5 腳和 8 腳是電源引腳；6腳和 7 腳就是 RS485 通信中的 A 和 B 兩個引腳；1 腳和 4 腳分別接到單片機的 RXD 和 TXD引腳上，直接使用單片機 UART 進行數據接收和發送；2 腳和 3 腳是方向引腳，其中 2 腳是低電平使能接收器，3 腳是高電平使能輸出驅動器，我們把這兩個引腳連到一起，平時不發送數據的時候，保持這兩個引腳是低電平，讓 MAX485 處于接收狀態，當需要發送數據的時候，把這個引腳拉高，發送數據，發送完畢后再拉低這個引腳就可以了。為了提高 RS485 的抗干擾能力，需要在靠近 MAX485 的 A 和 B 引腳之間并接一個電阻，這個電阻阻值從 100歐到 1K 都是可以。

在這里我們還要介紹一下如何使用 KST-51 單片機開發板進行外圍擴展實驗。我們的開發板只能把基本的功能給同學們做出來提供實驗練習，但是同學們學習的腳步不應該停留在這個實驗板上。如果想進行更多的實驗，就可以通過單片機開發板的擴展接口進行擴展實驗。大家可以看到藍綠色的單片機座周圍有 32 個插針，這 32 個插針就是把單片機的 32 個 IO 引腳全部都引出來了。在原理圖上體現出來的就是 J4、J5、J6、J7 這 4 個器件，如圖 18-2 所示。

圖 18-2 單片機擴展接口

這 32 個 IO 口中并不是所有的都可以用來對外擴展，其中既作為數據輸出，又可以作為數據輸入的引腳是不可以用的，比如 P3.2、P3.4、P3.6 引腳，這三個引腳是不可用的。比如P3.2 這個引腳，如果我們用來擴展，發送的信號如果和 DS18B20 的時序吻合，會導致 DS18B20拉低引腳，影響通信。除這 3 個 IO 口以外的其它 29 個，都可以使用杜邦線接上插針，擴展出來使用。當然了，如果把當前的 IO 口應用于擴展功能了，板子上的相應功能就實現不了了，也就是說需要擴展功能和板載功能之間二選一。

在進行 RS485 實驗中，我們通信用的引腳必須是 P3.0 和 P3.1，此外還有一個方向控制引腳，我們使用杜邦線將其連接到 P1.7 上去。RS485 的另外一端，大家可以使用一個 USB轉 RS485 模塊，用雙絞線把開發板和模塊上的 A 和 B 分別對應連起來，USB 那頭插入電腦，然后就可以進行通信了。

學習了第 13 章實用的串口通信方法和程序后，做這種串口通信的方法就很簡單了，基本是一致的。我們使用實用串口通信例程的思路，做了一個簡單的程序，通過串口調試助手下發任意個字符，單片機接收到后在末尾添加“回車+換行”符后再送回，在調試助手上重新顯示出來，先把程序貼出來。

程序中需要注意的一點是：因為平常都是將 MAX485 設置為接收狀態，只有在發送數據的時候才將 MAX485 改為發送狀態，所以在 UartWrite()函數開頭將 MAX485 方向引腳拉高，函數退出前再拉低。但是這里有一個細節，就是單片機的發送和接收中斷產生的時刻都是在停止位的一半上，也就是說每當停止位傳送了一半的時候，RI 或 TI 就已經置位并且馬上進入中斷（如果中斷使能的話）函數了，接收的時候自然不會存在問題，但發送的時候就不一樣了：當緊接著向 SBUF 寫入一個字節數據時，UART 硬件會在完成上一個停止位的發送后，再開始新字節的發送，但如果此時不是繼續發送下一個字節，而是已經發送完畢了，要停止發送并將 MAX485 方向引腳拉低以使 MAX485 重新處于接收狀態時就有問題了，因為這時候最后的這個停止位實際只發送了一半，還沒有完全完成，所以就有了 UartWrite()函數內DelayX10us(5)這個操作，這是人為的增加了 50us 的延時，這 50us 的時間正好讓剩下的一半停止位完成，那么這個時間自然就是由通信波特率決定的了，為波特率周期的一半。

/****************************RS485.c 文件程序源代碼*****************************/

#include

#include

sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向選擇引腳

bit flagFrame = 0; //幀接收完成標志，即接收到一幀新數據

bit flagTxd = 0; //單字節發送完成標志，用來替代 TXD 中斷標志位

unsigned char cntRxd = 0; //接收字節計數器

unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字節緩沖區

extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);

/* 串口配置函數，baud-通信波特率 */

void ConfigUART(unsigned int baud){

RS485_DIR = 0; //RS485 設置為接收方向

SCON = 0x50; //配置串口為模式 1

TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位

TMOD |= 0x20; //配置 T1 為模式 2

TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //計算 T1 重載值

TL1 = TH1; //初值等于重載值

ET1 = 0; //禁止 T1 中斷

ES = 1; //使能串口中斷

TR1 = 1; //啟動 T1

}

/* 軟件延時函數，延時時間(t*10)us */

void DelayX10us(unsigned char t){

do {

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

} while (--t);

}

/* 串口數據寫入，即串口發送函數，buf-待發送數據的指針，len-指定的發送長度 */

void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){

RS485_DIR = 1; //RS485 設置為發送

while (len--){ //循環發送所有字節

flagTxd = 0; //清零發送標志

SBUF = *buf++; //發送一個字節數據

while (!flagTxd); //等待該字節發送完成

}

DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成，延時時間由波特率決定

RS485_DIR = 0; //RS485 設置為接收

}

/* 串口數據讀取函數，buf-接收指針，len-指定的讀取長度，返回值-實際讀到的長度 */

unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){

unsigned char i;

//指定讀取長度大于實際接收到的數據長度時，

//讀取長度設置為實際接收到的數據長度

if (len > cntRxd){

len = cntRxd;

}

for (i=0; i

*buf++ = bufRxd[i];

}

cntRxd = 0; //接收計數器清零

return len; //返回實際讀取長度

}

/* 串口接收監控，由空閑時間判定幀結束，需在定時中斷中調用，ms-定時間隔 */

void UartRxMonitor(unsigned char ms){

static unsigned char cntbkp = 0;

static unsigned char idletmr = 0;

if (cntRxd > 0){ //接收計數器大于零時，監控總線空閑時間

if (cntbkp != cntRxd){ //接收計數器改變，即剛接收到數據時，清零空閑計時

cntbkp = cntRxd;

idletmr = 0;

}else{ //接收計數器未改變，即總線空閑時，累積空閑時間

if (idletmr < 30){ //空閑計時小于 30ms 時，持續累加

idletmr += ms;

if (idletmr >= 30){ //空閑時間達到 30ms 時，即判定為一幀接收完畢

flagFrame = 1; //設置幀接收完成標志

}

}

}

}else{

cntbkp = 0;

}

}

/* 串口驅動函數，監測數據幀的接收，調度功能函數，需在主循環中調用 */

void UartDriver(){

unsigned char len;

unsigned char pdata buf[40];

if (flagFrame){ //有命令到達時，讀取處理該命令

flagFrame = 0;

len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //將接收到的命令讀取到緩沖區中

UartAction(buf, len); //傳遞數據幀，調用動作執行函數

}

}

/* 串口中斷服務函數 */

void InterruptUART() interrupt 4{

if (RI){ //接收到新字節

RI = 0; //清零接收中斷標志位

//接收緩沖區尚未用完時，保存接收字節，并遞增計數器

if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){

bufRxd[cntRxd++] = SBUF;

}

}

if (TI){ //字節發送完畢

TI = 0; //清零發送中斷標志位

flagTxd = 1; //設置字節發送完成標志

}

}

/*****************************main.c 文件程序源代碼******************************/

#include

unsigned char T0RH = 0; //T0 重載值的高字節

unsigned char T0RL = 0; //T0 重載值的低字節

void ConfigTimer0(unsigned int ms);

extern void UartDriver();

extern void ConfigUART(unsigned int baud);

extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);

extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);

void main(){

EA = 1; //開總中斷

ConfigTimer0(1); //配置 T0 定時 1ms

ConfigUART(9600); //配置波特率為 9600

while (1){

UartDriver(); //調用串口驅動

}

}

/* 串口動作函數，根據接收到的命令幀執行響應的動作

buf-接收到的命令幀指針，len-命令幀長度 */

void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len){

//在接收到的數據幀后添加換車換行符后發回

buf[len++] = ' ';

buf[len++] = ' ';

UartWrite(buf, len);

}

/* 配置并啟動 T0，ms-T0 定時時間 */

void ConfigTimer0(unsigned int ms){

unsigned long tmp; //臨時變量

tmp = 11059200 / 12; //定時器計數頻率

tmp = (tmp * ms) / 1000; //計算所需的計數值

tmp = 65536 - tmp; //計算定時器重載值

tmp = tmp + 33; //補償中斷響應延時造成的誤差

T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定時器重載值拆分為高低字節

T0RL = (unsigned char)tmp;

TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位

TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1

TH0 = T0RH; //加載 T0 重載值

TL0 = T0RL;

ET0 = 1; //使能 T0 中斷

TR0 = 1; //啟動 T0

}

/* T0 中斷服務函數，執行串口接收監控 */

void InterruptTimer0() interrupt 1{

TH0 = T0RH; //重新加載重載值

TL0 = T0RL;

UartRxMonitor(1); //串口接收監控

}

現在看這種串口程序，是不是感覺很簡單了呢？串口通信程序我們反反復復的使用，加上隨著學習的模塊越來越多，實踐的越來越多，原先感覺很復雜的東西，現在就會感到簡單了。從設備管理器里可以查看所有的 COM 口號，我們下載程序用的是 COM4，而 USB 轉RS485 虛擬的是 COM5，通信的時候我們用的是 COM5 口，如圖 18-3 所示。