梳理STM32F429之通信传输部分---NO.6 RS485 通讯

一、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。

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下图。

       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下图。

       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。

二、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。

1、硬件设计

      上图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PB8 直接连接到这两个引脚上，所以通过控制 PB8 的输出电平即可控制 485 的收发状态。

2、软件设计

（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

NO.1 485 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，见下面的代码清单。

/*USART 号、时钟、波特率*/
#define RS485_USART USART2
#define RS485_USART_CLK RCC_APB1Periph_USART2
#define RS485_USART_BAUDRATE 115200
/*RX 引脚*/
#define RS485_USART_RX_GPIO_PORT GPIOD
#define RS485_USART_RX_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD
#define RS485_USART_RX_PIN GPIO_Pin_6
#define RS485_USART_RX_AF GPIO_AF_USART2
#define RS485_USART_RX_SOURCE GPIO_PinSource6
/*TX 引脚*/
#define RS485_USART_TX_GPIO_PORT GPIOD
#define RS485_USART_TX_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD
#define RS485_USART_TX_PIN GPIO_Pin_5
#define RS485_USART_TX_AF GPIO_AF_USART2
 
#define RS485_USART_TX_SOURCE GPIO_PinSource5
/*485 收发控制引脚*/
#define RS485_RE_GPIO_PORT GPIOB
#define RS485_RE_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB
#define RS485_RE_PIN GPIO_Pin_8
/*中断相关*/
#define RS485_INT_IRQ USART2_IRQn
#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。

NO.2 初始化 485 的 USART 配置

利用上面的宏，编写 485 的 USART 初始化函数，见下面的代码清单。

/*
* 函数名： RS485_Config
* 描述 ： USART GPIO 配置,工作模式配置
* 输入 ：无
* 输出 : 无
* 调用 ：外部调用
*/
void RS485_Config(void)
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* 配置 USART 时钟 */
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RS485_USART_RX_GPIO_CLK|
RS485_USART_TX_GPIO_CLK|
RS485_RE_GPIO_CLK, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RS485_USART_CLK, ENABLE);
/* TX 引脚源*/
GPIO_PinAFConfig(RS485_USART_RX_GPIO_PORT,RS485_USART_RX_SOURCE, RS485_USART_RX_AF);
/* RX 引脚源*/
GPIO_PinAFConfig(RS485_USART_TX_GPIO_PORT,RS485_USART_TX_SOURCE,RS485_USART_TX_AF);
/* USART GPIO 配置 */
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
/*TX*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RS485_USART_TX_PIN;
GPIO_Init(RS485_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/*RX */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RS485_USART_RX_PIN;
GPIO_Init(RS485_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* 485 收发控制管脚 */
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RS485_RE_PIN ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(RS485_RE_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* USART 模式配置*/
USART_InitStructure.USART_BaudRate = RS485_USART_BAUDRATE;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(RS485_USART, &USART_InitStructure);
/*使能 USART*/
USART_Cmd(RS485_USART, ENABLE);
/*配置中断优先级*/
NVIC_Configuration();
/* 使能串口接收中断 */
USART_ITConfig(RS485_USART, USART_IT_RXNE, ENABLE);
/*控制 485 芯片进入接收模式*/
GPIO_ResetBits(RS485_RE_GPIO_PORT,RS485_RE_PIN);
}

      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。

NO.3 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，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。

//中断缓存串口数据
#define UART_BUFF_SIZE 1024
volatile uint16_t uart_p = 0;
uint8_t uart_buff[UART_BUFF_SIZE];
void bsp_RS485_IRQHandler(void)
{
if (uart_p<UART_BUFF_SIZE) {
if (USART_GetITStatus(RS485_USART, USART_IT_RXNE) != RESET) {
uart_buff[uart_p] = USART_ReceiveData(RS485_USART);
uart_p++;
USART_ClearITPendingBit(RS485_USART, USART_IT_RXNE);
}
} else {
USART_ClearITPendingBit(RS485_USART, USART_IT_RXNE);
}
}
 
//获取接收到的数据和长度
char *get_rebuff(uint16_t *len)
{
*len = uart_p;
return (char *)&uart_buff;
}
//清空缓冲区
void clean_rebuff(void)
{
uint16_t i=UART_BUFF_SIZE+1;
uart_p = 0;
while (i)
uart_buff[--i]=0;
}

      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。

NO.4 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。

// 简单的延时
static void RS485_delay(__IO u32 nCount)
{
for (; nCount != 0; nCount--);
}
 
/*控制收发引脚*/
//进入接收模式,必须要有延时等待 485 处理完数据
#define RS485_RX_EN() RS485_delay(1000);\
GPIO_ResetBits(RS485_RE_GPIO_PORT,RS485_RE_PIN); \
RS485_delay(1000);
 
//进入发送模式,必须要有延时等待 485 处理完数据
#define RS485_TX_EN() RS485_delay(1000); \
GPIO_SetBits(RS485_RE_GPIO_PORT,RS485_RE_PIN);\
RS485_delay(1000);

     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。

NO.5 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。

/***************** 发送一个字符 **********************/
//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。
void RS485_SendByte( uint8_t ch )
{
/* 发送一个字节数据到 USART1 */
USART_SendData(RS485_USART,ch);
/* 等待发送完毕 */
while (USART_GetFlagStatus(RS485_USART, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

     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。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。

/**
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
char *pbuf;
uint16_t len;
LED_GPIO_Config();
/*初始化 USART1*/
Debug_USART_Config();
/*初始化 485 使用的串口，使用中断模式接收*/
RS485_Config();
LED_BLUE;
Key_GPIO_Config();
printf("\r\n 欢迎使用 STM32 F429 开发板。 \r\n");
printf("\r\n  F429 485 通讯实验例程\r\n");
printf("\r\n 实验步骤： \r\n");
printf("\r\n 1.使用导线连接好两个 485 通讯设备\r\n");
printf("\r\n 2.使用跳线帽连接好: 3V3<--->CAN/485_3V3,485-RX--PD5,485-TX--PD6 \r\n");
printf("\r\n 3.若使用两个开发板进行实验，给两个开发板都下载本程序即可。 \r\n");
printf("\r\n 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 \r\n");
printf("\r\n 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。 \r\n");
while (1) {
/*按一次按键发送一次数据*/
if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON) {
uint16_t i;
LED_BLUE;
//切换到发送状态
RS485_TX_EN();
for (i=0; i<=0xff; i++) {
RS485_SendByte(i); //发送数据
}
/*加短暂延时，保证 485 发送数据完毕*/
Delay(0xFFF);
RS485_RX_EN();//切换回接收状态
LED_GREEN;
printf("\r\n 发送数据成功！ \r\n"); //使用调试串口打印调试信息到终端
} else {
LED_BLUE;
pbuf = get_rebuff(&len);
if (len>=256) {
LED_GREEN;
printf("\r\n 接收到长度为%d 的数据\r\n",len);
RS485_DEBUG_ARRAY((uint8_t*)pbuf,len);
clean_rebuff();
}
}
}
}

      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。

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_TX<--->PD6、 485_RX<--->PD5、 3V3<--->CAN/485_3V3 ;
  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。