18.1 單片機(jī) RS485 通信接口、控制線、原理圖及程序?qū)嵗?/h1>

RS232 標(biāo)準(zhǔn)是誕生于 RS485 之前的，但是 RS232 有幾處不足的地方：

1. 接口的信號電平值較高，達(dá)到十幾 V，使用不當(dāng)容易損壞接口芯片，電平標(biāo)準(zhǔn)也與 TTL 電平不兼容。
2. 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。
3. 接口使用信號線和 GND 與其它設(shè)備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。
4. 傳輸距離有限，最多只能通信幾十米。
5. 通信的時候只能兩點之間進(jìn)行通信，不能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。

針對 RS232 接口的不足，就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS485 就是其中之一，它具備以下的特點：

1. 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(yōu)勢是可以抑制共模干擾。尤其當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)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。
2. RS485 通信速率快，最大傳輸速度可以達(dá)到 10 Mb/s 以上。
3. RS485 內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，采用的是平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗干擾能力也大大增加。
4. 傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)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 100 Kb/s 以下的傳輸速度，才能達(dá)到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠(yuǎn)距離可以使用中繼。
5. 可以在總線上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多機(jī)通信，總線上允許掛多個收發(fā)器，從現(xiàn)有的 RS485 芯片來看，有可以掛32、64、128、256等不同個設(shè)備的驅(qū)動器。
6. 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(zhuǎn)換器，就可以直接與單片機(jī)的 UART 串口連接起來，并且使用完全相同的異步串行通信協(xié)議。但是由于 RS485 是差分通信，因此接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)是不能同時進(jìn)行的，也就是說它是一種半雙工通信。那我們?nèi)绾闻袛嗍裁磿r候發(fā)送，什么時候接收呢？

RS485 轉(zhuǎn)換芯片很多，這節(jié)課我們以典型的 MAX485 為例講解 RS485 通信，如圖18-1所示。

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圖18-1 MAX485 硬件接口

MAX485 是美信(Maxim)推出的一款常用 RS485 轉(zhuǎn)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(jī)的 RXD 和 TXD 引腳上，直接使用單片機(jī) UART 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)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(qū)動器，我們把這兩個引腳連到一起，平時不發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，保持這兩個引腳是低電平，讓 MAX485 處于接收狀態(tài)，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，把這個引腳拉高，發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)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 1 K 都是可以。

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

http://wiki.jikexueyuan.com/project/mcu-tutorial-three/images/56.png" alt="" />

圖18-2 單片機(jī)擴(kuò)展接口

這32個 IO 口中并不是所有的都可以用來對外擴(kuò)展，其中既作為數(shù)據(jù)輸出，又可以作為數(shù)據(jù)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(kuò)展，發(fā)送的信號如果和 DS18B20 的時序吻合，會導(dǎo)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(kuò)展出來使用。當(dāng)然了，如果把當(dāng)前的 IO 口應(yīng)用于擴(kuò)展功能了，板子上的相應(yīng)功能就實現(xiàn)不了了，也就是說需要擴(kuò)展功能和板載功能之間二選一。

在進(jìn)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(zhuǎn) RS485 模塊，用雙絞線把開發(fā)板和模塊上的 A 和 B 分別對應(yīng)連起來，USB 那頭插入電腦，然后就可以進(jìn)行通信了。

學(xué)習(xí)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(diào)試助手下發(fā)任意個字符，單片機(jī)接收到后在末尾添加“回車+換行”符后再送回，在調(diào)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(shè)置為接收狀態(tài)，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候才將 MAX485 改為發(fā)送狀態(tài)，所以在 UartWrite()函數(shù)開頭將 MAX485 方向引腳拉高，函數(shù)退出前再拉低。但是這里有一個細(xì)節(jié)，就是單片機(jī)的發(fā)送和接收中斷產(chǎn)生的時刻都是在停止位的一半上，也就是說每當(dāng)停止位傳送了一半的時候，RI 或 TI 就已經(jīng)置位并且馬上進(jìn)入中斷（如果中斷使能的話）函數(shù)了，接收的時候自然不會存在問題，但發(fā)送的時候就不一樣了：當(dāng)緊接著向 SBUF 寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，UART 硬件會在完成上一個停止位的發(fā)送后，再開始新字節(jié)的發(fā)送，但如果此時不是繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)，而是已經(jīng)發(fā)送完畢了，要停止發(fā)送并將 MAX485 方向引腳拉低以使 MAX485 重新處于接收狀態(tài)時就有問題了，因為這時候最后的這個停止位實際只發(fā)送了一半，還沒有完全完成，所以就有了 UartWrite()函數(shù)內(nèi) DelayX10us(5)這個操作，這是人為的增加了 50 us 的延時，這 50 us 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 <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向選擇引腳
bit flagFrame = 0; //幀接收完成標(biāo)志，即接收到一幀新數(shù)據(jù)
bit flagTxd = 0; //單字節(jié)發(fā)送完成標(biāo)志，用來替代 TXD 中斷標(biāo)志位
unsigned char cntRxd = 0; //接收字節(jié)計數(shù)器
unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字節(jié)緩沖區(qū)

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

/* 串口配置函數(shù)，baud-通信波特率 */
void ConfigUART(unsigned int baud){
    RS485_DIR = 0; //RS485 設(shè)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(shù)，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(shù)據(jù)寫入，即串口發(fā)送函數(shù)，buf-待發(fā)送數(shù)據(jù)的指針，len-指定的發(fā)送長度 */
void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){
    RS485_DIR = 1; //RS485 設(shè)置為發(fā)送

    while (len--){ //循環(huán)發(fā)送所有字節(jié)
        flagTxd = 0; //清零發(fā)送標(biāo)志
        SBUF = *buf++; //發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)
        while (!flagTxd); //等待該字節(jié)發(fā)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(shè)置為接收
}
/* 串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，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(shù)據(jù)長度時，
    //讀取長度設(shè)置為實際接收到的數(shù)據(jù)長度
    if (len > cntRxd){
        len = cntRxd;
    }
    for (i=0; i<len; i++){ //拷貝接收到的數(shù)據(jù)到接收指針上
        *buf++ = bufRxd[i];
    }
    cntRxd = 0; //接收計數(shù)器清零
    return len; //返回實際讀取長度
}
/* 串口接收監(jiān)控，由空閑時間判定幀結(jié)束，需在定時中斷中調(diào)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(shù)器大于零時，監(jiān)控總線空閑時間
        if (cntbkp != cntRxd){ //接收計數(shù)器改變，即剛接收到數(shù)據(jù)時，清零空閑計時
            cntbkp = cntRxd;
            idletmr = 0;
        }else{ //接收計數(shù)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(xù)累加
                idletmr += ms;
                if (idletmr >= 30){ //空閑時間達(dá)到 30ms 時，即判定為一幀接收完畢
                    flagFrame = 1; //設(shè)置幀接收完成標(biāo)志
                }
            }
        }
    }else{
        cntbkp = 0;
    }
}
/* 串口驅(qū)動函數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)幀的接收，調(diào)度功能函數(shù)，需在主循環(huán)中調(diào)用 */
void UartDriver(){
    unsigned char len;
    unsigned char pdata buf[40];

    if (flagFrame){ //有命令到達(dá)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(qū)中
        UartAction(buf, len); //傳遞數(shù)據(jù)幀，調(diào)用動作執(zhí)行函數(shù)
    }
}
/* 串口中斷服務(wù)函數(shù) */
void InterruptUART() interrupt 4{
    if (RI){ //接收到新字節(jié)
        RI = 0; //清零接收中斷標(biāo)志位
        //接收緩沖區(qū)尚未用完時，保存接收字節(jié)，并遞增計數(shù)器
        if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){
            bufRxd[cntRxd++] = SBUF;
        }
    }
    if (TI){ //字節(jié)發(fā)送完畢
        TI = 0; //清零發(fā)送中斷標(biāo)志位
        flagTxd = 1; //設(shè)置字節(jié)發(fā)送完成標(biāo)志
    }
}

/*****main.c 文件程序源代碼**/

#include <reg52.h>

unsigned char T0RH = 0; //T0 重載值的高字節(jié)
unsigned char T0RL = 0; //T0 重載值的低字節(jié)

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(diào)用串口驅(qū)動
    }
}
/* 串口動作函數(shù)，根據(jù)接收到的命令幀執(zhí)行響應(yīng)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(shù)據(jù)幀后添加換車換行符后發(fā)回
    buf[len++] = '\r';
    buf[len++] = '\n';
    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(shù)頻率
    tmp = (tmp * ms) / 1000; //計算所需的計數(shù)值
    tmp = 65536 - tmp; //計算定時器重載值
    tmp = tmp + 33; //補(bǔ)償中斷響應(yīng)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(jié)
    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(wù)函數(shù)，執(zhí)行串口接收監(jiān)控 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
    TH0 = T0RH; //重新加載重載值
    TL0 = T0RL;
    UartRxMonitor(1); //串口接收監(jiān)控
}

現(xiàn)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(fù)復(fù)的使用，加上隨著學(xué)習(xí)的模塊越來越多，實踐的越來越多，原先感覺很復(fù)雜的東西，現(xiàn)在就會感到簡單了。從設(shè)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(zhuǎn) RS485 虛擬的是 COM5，通信的時候我們用的是 COM5 口，如圖18-3所示。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/mcu-tutorial-three/images/57.png" alt="" />

圖18-3 RS485 通信試驗設(shè)置和結(jié)果