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单片机RS485通信接口、控制线、原理图及程序实例

RS232 标准是诞生于 RS485 之前的,但是 RS232 有几处不足的地方:

  1. 接口的信号电平值较高,达到十几 V,使用不当容易损坏接口芯片,电平标准也与TTL 电平不兼容。

  2. 传输速率有局限,不可以过高,一般到一两百千比特每秒(Kb/s)就到极限了。

  3. 接口使用信号线和 GND 与其它设备形成共地模式的通信,这种共地模式传输容易产生干扰,并且抗干扰性能也比较弱。

  4. 传输距离有限,最多只能通信几十米。

  5. 通信的时候只能两点之间进行通信,不能够实现多机联网通信。

针对 RS232 接口的不足,就不断出现了一些新的接口标准,RS485 就是其中之一,它具备以下的特点:

  1. 采用差分信号。我们在讲 A/D 的时候,讲过差分信号输入的概念,同时也介绍了差分输入的好处,最大的优势是可以抑制共模干扰。尤其当工业现场环境比较复杂,干扰比较多时,采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用两根通信线,通常用 A 和 B 或者 D+和 D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V 表示,逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V 来表示,是一种典型的差分通信。

  2. RS485 通信速率快,最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。

  3. RS485 内部的物理结构,采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合,抗干扰能力也大大增加。

  4. 传输距离最远可以达到 1200 米左右,但是它的传输速率和传输距离是成反比的,只有在 100Kb/s 以下的传输速度,才能达到最大的通信距离,如果需要传输更远距离可以使用中继。

  5. 可以在总线上进行联网实现多机通信,总线上允许挂多个收发器,从现有的 RS485芯片来看,有可以挂 32、64、128、256 等不同个设备的驱动器。

  6. RS485 的接口非常简单,与 RS232 所使用的 MAX232 是类似的,只需要一个 RS485转换器,就可以直接与单片机的 UART 串口连接起来,并且使用完全相同的异步串行通信协议。但是由于 RS485 是差分通信,因此接收数据和发送数据是不能同时进行的,也就是说它是一种半双工通信。那我们如何判断什么时候发送,什么时候接收呢?

RS485 转换芯片很多,这节课我们以典型的 MAX485 为例讲解 RS485 通信,如图 18-1所示。

微信图片_20190702153124.jpg

图 18-1 MAX485 硬件接口

MAX485 是美信(Maxim)推出的一款常用 RS485 转换器。其中 5 脚和 8 脚是电源引脚;6脚和 7 脚就是 RS485 通信中的 A 和 B 两个引脚;1 脚和 4 脚分别接到单片机的 RXD 和 TXD引脚上,直接使用单片机 UART 进行数据接收和发送;2 脚和 3 脚是方向引脚,其中 2 脚是低电平使能接收器,3 脚是高电平使能输出驱动器,我们把这两个引脚连到一起,平时不发送数据的时候,保持这两个引脚是低电平,让 MAX485 处于接收状态,当需要发送数据的时候,把这个引脚拉高,发送数据,发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高 RS485 的抗干扰能力,需要在靠近 MAX485 的 A 和 B 引脚之间并接一个电阻,这个电阻阻值从 100欧到 1K 都是可以。

在这里我们还要介绍一下如何使用 KST-51 单片机开发板进行外围扩展实验。我们的开发板只能把基本的功能给同学们做出来提供实验练习,但是同学们学习的脚步不应该停留在这个实验板上。如果想进行更多的实验,就可以通过单片机开发板的扩展接口进行扩展实验。大家可以看到蓝绿色的单片机座周围有 32 个插针,这 32 个插针就是把单片机的 32 个 IO 引脚全部都引出来了。在原理图上体现出来的就是 J4、J5、J6、J7 这 4 个器件,如图 18-2 所示。

微信图片_20190702153128.jpg

图 18-2 单片机扩展接口

这 32 个 IO 口中并不是所有的都可以用来对外扩展,其中既作为数据输出,又可以作为数据输入的引脚是不可以用的,比如 P3.2、P3.4、P3.6 引脚,这三个引脚是不可用的。比如P3.2 这个引脚,如果我们用来扩展,发送的信号如果和 DS18B20 的时序吻合,会导致 DS18B20拉低引脚,影响通信。除这 3 个 IO 口以外的其它 29 个,都可以使用杜邦线接上插针,扩展出来使用。当然了,如果把当前的 IO 口应用于扩展功能了,板子上的相应功能就实现不了了,也就是说需要扩展功能和板载功能之间二选一。

在进行 RS485 实验中,我们通信用的引脚必须是 P3.0 和 P3.1,此外还有一个方向控制引脚,我们使用杜邦线将其连接到 P1.7 上去。RS485 的另外一端,大家可以使用一个 USB转 RS485 模块,用双绞线把开发板和模块上的 A 和 B 分别对应连起来,USB 那头插入电脑,然后就可以进行通信了。

学习了第 13 章实用的串口通信方法和程序后,做这种串口通信的方法就很简单了,基本是一致的。我们使用实用串口通信例程的思路,做了一个简单的程序,通过串口调试助手下发任意个字符,单片机接收到后在末尾添加“回车+换行”符后再送回,在调试助手上重新显示出来,先把程序贴出来。

程序中需要注意的一点是:因为平常都是将 MAX485 设置为接收状态,只有在发送数据的时候才将 MAX485 改为发送状态,所以在 UartWrite()函数开头将 MAX485 方向引脚拉高,函数退出前再拉低。但是这里有一个细节,就是单片机的发送和接收中断产生的时刻都是在停止位的一半上,也就是说每当停止位传送了一半的时候,RI 或 TI 就已经置位并且马上进入中断(如果中断使能的话)函数了,接收的时候自然不会存在问题,但发送的时候就不一样了:当紧接着向 SBUF 写入一个字节数据时,UART 硬件会在完成上一个停止位的发送后,再开始新字节的发送,但如果此时不是继续发送下一个字节,而是已经发送完毕了,要停止发送并将 MAX485 方向引脚拉低以使 MAX485 重新处于接收状态时就有问题了,因为这时候最后的这个停止位实际只发送了一半,还没有完全完成,所以就有了 UartWrite()函数内DelayX10us(5)这个操作,这是人为的增加了 50us 的延时,这 50us 的时间正好让剩下的一半停止位完成,那么这个时间自然就是由通信波特率决定的了,为波特率周期的一半。

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

  1. #include <reg52.h>

  2. #include <intrins.h>

  3. sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向选择引脚

  4. bit flagFrame = 0; //帧接收完成标志,即接收到一帧新数据

  5. bit flagTxd = 0; //单字节发送完成标志,用来替代 TXD 中断标志位

  6. unsigned char cntRxd = 0; //接收字节计数器

  7. unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字节缓冲区

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

  9. /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */

  10. void ConfigUART(unsigned int baud){

  11. RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收方向

  12. SCON = 0x50; //配置串口为模式 1

  13. TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位

  14. TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2

  15. TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值

  16. TL1 = TH1; //初值等于重载值

  17. ET1 = 0; //禁止 T1 中断

  18. ES = 1; //使能串口中断

  19. TR1 = 1; //启动 T1

  20. }

  21. /* 软件延时函数,延时时间(t*10)us */

  22. void DelayX10us(unsigned char t){

  23. do {

  24. _nop_();

  25. _nop_();

  26. _nop_();

  27. _nop_();

  28. _nop_();

  29. _nop_();

  30. _nop_();

  31. _nop_();

  32. } while (--t);

  33. }

  34. /* 串口数据写入,即串口发送函数,buf-待发送数据的指针,len-指定的发送长度 */

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

  36. RS485_DIR = 1; //RS485 设置为发送

  37. while (len--){ //循环发送所有字节

  38. flagTxd = 0; //清零发送标志

  39. SBUF = *buf++; //发送一个字节数据

  40. while (!flagTxd); //等待该字节发送完成

  41. }

  42. DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成,延时时间由波特率决定

  43. RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收

  44. }

  45. /* 串口数据读取函数,buf-接收指针,len-指定的读取长度,返回值-实际读到的长度 */

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

  47. unsigned char i;

  48. //指定读取长度大于实际接收到的数据长度时,

  49. //读取长度设置为实际接收到的数据长度

  50. if (len > cntRxd){

  51. len = cntRxd;

  52. }

  53. for (i=0; i<len; i++){ //拷贝接收到的数据到接收指针上

  54. *buf++ = bufRxd[i];

  55. }

  56. cntRxd = 0; //接收计数器清零

  57. return len; //返回实际读取长度

  58. }

  59. /* 串口接收监控,由空闲时间判定帧结束,需在定时中断中调用,ms-定时间隔 */

  60. void UartRxMonitor(unsigned char ms){

  61. static unsigned char cntbkp = 0;

  62. static unsigned char idletmr = 0;

  63. if (cntRxd > 0){ //接收计数器大于零时,监控总线空闲时间

  64. if (cntbkp != cntRxd){ //接收计数器改变,即刚接收到数据时,清零空闲计时

  65. cntbkp = cntRxd;

  66. idletmr = 0;

  67. }else{ //接收计数器未改变,即总线空闲时,累积空闲时间

  68. if (idletmr < 30){ //空闲计时小于 30ms 时,持续累加

  69. idletmr += ms;

  70. if (idletmr >= 30){ //空闲时间达到 30ms 时,即判定为一帧接收完毕

  71. flagFrame = 1; //设置帧接收完成标志

  72. }

  73. }

  74. }

  75. }else{

  76. cntbkp = 0;

  77. }

  78. }

  79. /* 串口驱动函数,监测数据帧的接收,调度功能函数,需在主循环中调用 */

  80. void UartDriver(){

  81. unsigned char len;

  82. unsigned char pdata buf[40];

  83. if (flagFrame){ //有命令到达时,读取处理该命令

  84. flagFrame = 0;

  85. len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //将接收到的命令读取到缓冲区中

  86. UartAction(buf, len); //传递数据帧,调用动作执行函数

  87. }

  88. }

  89. /* 串口中断服务函数 */

  90. void InterruptUART() interrupt 4{

  91. if (RI){ //接收到新字节

  92. RI = 0; //清零接收中断标志位

  93. //接收缓冲区尚未用完时,保存接收字节,并递增计数器

  94. if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){

  95. bufRxd[cntRxd++] = SBUF;

  96. }

  97. }

  98. if (TI){ //字节发送完毕

  99. TI = 0; //清零发送中断标志位

  100. flagTxd = 1; //设置字节发送完成标志

  101. }

  102. }

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

  1. #include <reg52.h>

  2. unsigned char T0RH = 0; //T0 重载值的高字节

  3. unsigned char T0RL = 0; //T0 重载值的低字节

  4. void ConfigTimer0(unsigned int ms);

  5. extern void UartDriver();

  6. extern void ConfigUART(unsigned int baud);

  7. extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);

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

  9. void main(){

  10. EA = 1; //开总中断

  11. ConfigTimer0(1); //配置 T0 定时 1ms

  12. ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600

  13. while (1){

  14. UartDriver(); //调用串口驱动

  15. }

  16. }

  17. /* 串口动作函数,根据接收到的命令帧执行响应的动作

  18. buf-接收到的命令帧指针,len-命令帧长度 */

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

  20. //在接收到的数据帧后添加换车换行符后发回

  21. buf[len++] = '' '';

  22. buf[len++] = '' '';

  23. UartWrite(buf, len);

  24. }

  25. /* 配置并启动 T0,ms-T0 定时时间 */

  26. void ConfigTimer0(unsigned int ms){

  27. unsigned long tmp; //临时变量

  28. tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率

  29. tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值

  30. tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值

  31. tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差

  32. T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节

  33. T0RL = (unsigned char)tmp;

  34. TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位

  35. TMOD |= 0x01; //配置 T0 为模式 1

  36. TH0 = T0RH; //加载 T0 重载值

  37. TL0 = T0RL;

  38. ET0 = 1; //使能 T0 中断

  39. TR0 = 1; //启动 T0

  40. }

  41. /* T0 中断服务函数,执行串口接收监控 */

  42. void InterruptTimer0() interrupt 1{

  43. TH0 = T0RH; //重新加载重载值

  44. TL0 = T0RL;

  45. UartRxMonitor(1); //串口接收监控

  46. }

现在看这种串口程序,是不是感觉很简单了呢?串口通信程序我们反反复复的使用,加上随着学习的模块越来越多,实践的越来越多,原先感觉很复杂的东西,现在就会感到简单了。从设备管理器里可以查看所有的 COM 口号,我们下载程序用的是 COM4,而 USB 转RS485 虚拟的是 COM5,通信的时候我们用的是 COM5 口,如图 18-3 所示。

微信图片_20190702153156.jpg

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