【STM32+HAL+Proteus】系列学习教程---RS485总线（收发仿真实现）

news2024/9/22 11:42:46

实现目标

1、掌握UART/USART/RS485等几个常见概念的区别

2、掌握RS485的逻辑电平、硬件接线等基础知识

3、具体实现目标：1、利用两个单片机组成RS485通信网络；2、两个单片机之间能实现正常收发数据。

一、串口、RS485等之间的关系

串口：是一个广义术语，通常指的是采用串行通信协议的接口，它可以包括多种具体的物理接口标准和逻辑电平标准。

UART（通用异步收发传输器）：是一种集成电路，负责处理串行通信协议中的时序生成、数据编码解码等功能，是嵌入式系统中常见的用于实现串行通信的硬件模块。UART本身并不规定具体的电气特性，而是产生遵循串行通信时序的信号（如启动位、数据位、校验位和停止位）。

TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平：是一种逻辑电平标准，通常在集成电路内部或者集成电路之间近距离通信时使用，它的高低电平相对较低，通常为3.3V或5V表示逻辑1，0V表示逻辑0。

RS232：是一种早期广泛应用于计算机和终端设备之间的串行通信接口标准，它规定了详细的电气特性，如逻辑1（负电压，通常为-3V-15V）和逻辑0（正电压，通常为+3V+15V）。尽管逻辑电平与TTL电平不同，但可以通过电平转换器将UART产生的TTL电平转换为RS232电平进行远距离传输。

RS422：是一种全双工、差分传输的串行通信标准，它具有较高的抗干扰能力和较长的传输距离，支持多点传输，每个信号都有明确的方向（发送和接收分离），常用于工业控制领域。

RS485：也是一种差分传输的串行通信标准，与RS422类似，但增加了多点通信的能力，支持多个设备通过同一条线路进行通信，但同一时间内只能有一个设备发送数据。

综上所述，UART是生成串行通信时序的硬件模块，而TTL、RS232、RS422和RS485则分别代表了不同的电气接口标准和逻辑电平标准。在实际应用中，UART产生的TTL电平信号通常需要通过电平转换器转化为RS232、RS422或RS485标准的信号，以便在不同的物理环境中进行可靠的串行通信。

二、RS485概述

RS485 是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）于1983年发布的串行通信接口标准，经通讯工业协会（TIA）修订后命名为 TIA/EIA-485-A。RS485 是一种工业控制环境中常用的通讯协议，其中RS 是 Recommended Standard 的缩写。RS485 是 半双工异步 串行通信。

1、特点

支持多节点：一般最大支持 32 个节点。
传输距离远：最远通讯距离可达1200米。
抗干扰能力强：差分信号传输。
连接简单：只需要两根信号线（A+和B-）就可以进行正常的通信。

2、差分信号传输

RS485 通信采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线就可以进行正常的通信。
在差分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根信号线（A+和B-）的电压差来表示。

逻辑 1：两根信号线（A+和B-）的电压差在 +2V～+6V 之间。
逻辑 0：两根信号线（A+和B-）的电压差在 -2V～-6V 之间。

3、RS485连接方式

CPU：中央处理器，负责控制整个系统的运行和数据处理。
UART控制器：集成在CPU内部或外部的通用异步收发传输器，用于生成和解析串行通信数据流。
TXD/RXD连接：
TXD（Transmit Data）：UART控制器的发送数据线，通常连接到485收发器的接收端（如DE/RE引脚禁能时的接收端或RO引脚）。
RXD（Receive Data）：UART控制器的接收数据线，通常连接到485收发器的发送端（如DI引脚）。
485收发器：如SP3485、TP8485E、MAX485等，这类芯片用于实现TTL电平与RS485差分信号电平之间的转换，并具备收发控制功能。
DE（Driver Enable）/RE（Receiver Enable）：控制485收发器工作在发送或接收模式，防止在同一时刻既发送又接收导致冲突。
DI（Data Input）：接收来自UART的TTL电平信号，并转换为RS485差分信号。
RO（Receiver Output）：将接收到的RS485差分信号转换为TTL电平，发送给UART。
485_A/485_B：这是RS485总线的差分信号线，485_A和485_B两根线通过双绞线连接到所有的RS485设备，确保信号质量良好。
匹配电阻：在485_A和485_B的两端（或靠近设备端）通常会并联一个120欧姆左右的终端电阻，目的是吸收信号反射，确保RS485总线的稳定性，抑制噪声，增强信号质量

4、RS485总线芯片

SP3485 芯片是一款非常经典的+3.3V低功耗半双工RS485收发器，数据传输速率高达10Mbps。单片机串口通信一般是TTL电平，如果需要RS485 通信，就需要RS485芯片在中间转换一下。因为RS485通信是半双工通信，就是发送数据的时候不能同时接收数据，所以我们选择SP3485做RS485收发器。

SP3485芯片典型原理图

SP3485 芯片的引脚说明

二、原理图设计

说明：开发板上没有485芯片，本章内容用proteus软件仿真实现。

三、STM32CubeMX 配置

1.USART 配置

配置1：USART1, 异步通信模式，波特率9600 ，484芯片控制端DIR为输出模式。

配置2：开启USART中断

四、程序设计

1、主机程序

1.1定义两个变量

/* USER CODE BEGIN PV */

 int  RxByte,TxByte;

/* USER CODE END PV */

1.2 在while(1)里添加下面程序，实现数据发送

 //发送数据
 HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO_Port, DIR_Pin, GPIO_PIN_SET);
 TxByte = 0x55;
 HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&TxByte, 1, 0xFF);
 HAL_Delay(500);

2、从机程序

2.1定义两个变量

/* USER CODE BEGIN PV */
 int  RxByte,TxByte;

/* USER CODE END PV */

2.2 开启接收中断，设置从机485芯片为接收模式

  /* USER CODE BEGIN 2 */
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxByte, 1);	
    HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO_Port, DIR_Pin, GPIO_PIN_RESET);//将485芯片设置为接收模式
    HAL_Delay(200);
  /* USER CODE END 2 */

2.3 串口接收中断回调函数，实现数据接收和转发功能。

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
   if (0x55 == RxByte)
   {
        TxByte = 0x01;
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO_Port, DIR_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&TxByte, 1, 0xFF);
    }
    else
    {
        TxByte = 0x77;
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO_Port, DIR_Pin, GPIO_PIN_SET);
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&TxByte, 1, 0xFF);
    }
   HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO_Port, DIR_Pin, GPIO_PIN_RESET); //重新使能串口接收中断
   HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxByte, 1);
}

/* USER CODE END 4 */