一、RS485协议概念讲解

RS485 协议概念

RS485（也称为 TIA/EIA-485）是一个标准的差分串行通信协议，广泛应用于工业控制系统、楼宇自动化、远程监控等场合，尤其适合于长距离和高噪声环境下的数据传输。

1. 差分信号传输

• 差分信号：RS485 采用差分信号进行数据传输，即通过两条信号线（A 和 B）传输信号。与单端信号（例如 RS232）相比，差分信号的抗干扰能力更强，能够有效减少共模干扰，因此 RS485 可以在更远的距离上传输数据，并且适用于噪声环境较强的应用。
• 工作原理：数据通过一对互补的电压信号在 A 和 B 之间传输。通过 A 和 B 之间的电压差来表示数据位。当信号差异为正时，表示逻辑高电平（1）；当信号差异为负时，表示逻辑低电平（0）。

2. 半双工通信

• 半双工：RS485 是半双工通信协议，即数据在同一时刻只能单向传输。可以在两个方向上传输数据，但不能同时进行发送和接收。因此，RS485 通常采用主从模式进行通信。
• 主从模式：在主从模式下，一个主设备（Master）可以控制通信，向多个从设备（Slave）发送指令，多个从设备响应主设备的请求。主设备和从设备之间通过 RS485 总线通信。

3. 多点通信

• 多点通信：RS485 支持多点通信，即多个设备可以共用同一条通信总线。理论上，最多可以连接 32 个设备，但通过合理的网络拓扑结构，实际应用中可以连接更多设备。
• 地址识别：每个设备在 RS485 网络中都可以通过唯一的地址来进行识别，主设备通过发送目标地址来选择与其通信的从设备。

4. 最大通信距离和速度

• 距离和速率的平衡：RS485 支持较长的通信距离（最高可达 1200 米），但通信速度（波特率）与距离成反比。随着通信距离的增加，波特率应适当降低，以确保数据的稳定传输。
  • 高速：在较短的距离内，RS485 可以支持较高的波特率（如 10 Mbps）。
  • 低速：在较长的距离内，波特率会降低到 100 kbps 以下。

5. 终端电阻与偏置电阻

• 终端电阻：在 RS485 总线的两端加上适当的终端电阻（通常为 120Ω）是非常重要的，特别是在长距离通信时。终端电阻的作用是消除信号反射，确保信号质量。
• 偏置电阻：偏置电阻用于保证总线在空闲状态下的电平稳定，防止浮空状态导致的错误信号。常见的偏置电阻值为 680Ω。

6. RS485 接口的工作模式

• 驱动模式（Driver Mode）：在驱动模式下，RS485 发送端驱动 A 和 B 信号线的差分电压。一般来说，RS485 的驱动能力很强，可以驱动多个从设备。
• 接收模式（Receiver Mode）：在接收模式下，设备监听 A 和 B 线上的差分信号，接收到的数据根据电压差解码成二进制信号。

7. RS485 协议的数据帧结构

RS485 是一个物理层协议，通常与上层协议（如 Modbus）一起使用来实现完整的通信。数据帧的具体结构依赖于所使用的上层协议，但基本的通信过程包括以下几个部分：

• 起始位：每个数据帧通常以一个起始位标识数据传输的开始。
• 数据位：数据帧的主体部分，通常是 8 位或 16 位的数据。
• 校验位：可选的用于校验数据是否完整正确的位，常见的校验方式有奇偶校验。
• 停止位：数据传输的结束标志，通常是 1 位或 2 位。

8. RS485 的优点与应用

• 优点：

  • 抗干扰性强：差分信号的使用使得 RS485 在高噪声环境中具有优良的抗干扰能力。
  • 长距离通信：RS485 支持较长的通信距离，最多可达 1200 米，适合用于远距离通信。
  • 多点通信：支持多达 32 个设备（在某些情况下更多）通过共享同一条总线进行通信。
  • 低成本：RS485 是一个简单、低成本的串行通信标准，易于实现。

• 应用：

  • 工业控制：广泛应用于工业自动化、仪器仪表、过程控制、PLC（可编程逻辑控制器）等设备之间的通信。
  • 楼宇自动化：在楼宇管理系统中，RS485 可用于控制灯光、空调、安防系统等设备。
  • 远程监控：RS485 被广泛应用于远程监控、数据采集、传感器网络等应用场景。
  • 电力系统：RS485 在电力设备、智能电表、电力监控系统等中也有广泛应用。

总结

RS485 协议是一种高效、可靠、适用于长距离传输的通信标准。通过差分信号传输、半双工通信、和多点支持等特性，RS485 成为工业自动化和其他嵌入式系统中重要的数据传输协议。

二、TTL电平和RS485的关系及转换

TTL（Transistor-Transistor Logic）电平和 RS485 电平之间存在很大差异，因此需要特定的硬件转换器来进行两者之间的电平转换。以下是 TTL 电平到 RS485 电平转换的一些关键概念和方法：

1. TTL 和 RS485 电平的区别

• TTL 电平：TTL 是一种单端信号传输方式，通常使用 0V 表示逻辑低（0），使用 3.3V 或 5V 表示逻辑高（1）。它是单端信号，通常只通过两根线（数据线和地线）进行通信。
• RS485 电平：RS485 是一种差分信号传输方式，采用两根信号线（A 和 B）传输数据。逻辑 0 和逻辑 1 通过这两根线之间的电压差表示。RS485 的电平通常比 TTL 更适合长距离和高噪声环境的通信。

2. TTL 到 RS485 的转换原理

• 驱动差分信号：RS485 使用差分信号，其中 A 和 B 信号线之间的电压差表示数据。而 TTL 信号是单端信号，所以需要一个驱动器将单端的 TTL 信号转换为差分信号，以满足 RS485 的通信要求。
• 转换器：通过专用的 RS485 驱动器芯片（如 MAX485、SN75176、SP3485 等），可以将 TTL 电平转换为 RS485 电平。这些芯片内部通常有一个输出端驱动电路，能够将 TTL 电平信号转换为适合 RS485 总线的差分信号。

3. 转换电路

• 常见的 RS485 转换芯片：如 MAX485、SN75176、SP3485 等，它们一般会提供以下功能：
  • 驱动功能：将 TTL 信号转换为差分信号（RS485 信号），并将其传送到 RS485 总线上。
  • 接收功能：将 RS485 差分信号转换回 TTL 电平信号，并输出给微控制器（MCU）或其他 TTL 电平设备。
  • 支持半双工通信：RS485 是半双工协议，转换芯片支持在同一条总线上进行双向数据传输。

4. TTL 到 RS485 转换电路示例

假设使用 MAX485 芯片进行转换，下面是一个基本的电路结构：

• MAX485 连接方式：
  • RO（接收输出）连接到 MCU 或其他接收设备的输入引脚。
  • DI（数据输入）连接到 MCU 或其他发送设备的输出引脚。
  • DE 和 RE（驱动使能和接收使能）通常连接在一起，控制数据发送和接收模式。在发送数据时，这两个引脚被设置为高电平；在接收数据时，这两个引脚被设置为低电平。
  • A 和 B（差分数据线）连接到 RS485 总线上，A 通常连接到总线的 A 端，B 连接到总线的 B 端。
  • VCC：连接到电源（通常为 5V）。
  • GND：连接到地线。

5. 电路工作原理

• 发送模式：当 MCU 需要发送数据时，TTL 信号会通过 DI 引脚传入 MAX485 芯片，芯片通过驱动电路将 TTL 信号转换为差分信号（A 和 B 之间的电压差），然后通过 A 和 B 输出到 RS485 总线。
• 接收模式：当 RS485 总线上有数据传输时，MAX485 会接收到差分信号并将其转换回 TTL 电平信号，输出到 RO 引脚，从而可以传输到 MCU 或其他设备。

6. RS485 总线连接方式

在多设备通信中，多个设备可以共享同一条 RS485 总线。每个设备都需要有一个相应的转换芯片，将 TTL 信号转换为 RS485 电平信号进行通信。RS485 总线通常连接多达 32 个设备（或更多，取决于总线的设计），并且可以支持长距离传输。

7. 注意事项

• 终端电阻：在长距离传输和多设备连接的情况下，需要在 RS485 总线的两端加上 120Ω 的终端电阻，以防止信号反射。
• 偏置电阻：为了确保总线在空闲状态下电平稳定，可能需要加上偏置电阻（通常为 680Ω）。
• 电源要求：MAX485 等 RS485 转换芯片通常工作在 3.3V 或 5V 电源下，确保电源电压符合芯片规格。

总结

TTL 到 RS485 的转换通过专用的转换芯片（如 MAX485、SN75176 等）实现。通过这些芯片，可以将单端的 TTL 信号转换为差分信号，并支持半双工通信。RS485 接口的优势在于长距离传输和高抗干扰能力，因此在工业控制、楼宇自动化等应用中非常常见。

三、STM32Cubemx配置

在 STM32CubeMX 中配置 RS485 通信实际上主要是利用 STM32 的 USART/UART 外设。RS485 并没有专门的外设，通常是通过 USART来实现。

RS485 模块（通常是 RS485 转换器或驱动器）会自动处理发送和接收的转换。具体来说，RS485 采用差分信号通信，并且通常工作在 半双工模式，即在同一时刻，通信线路只能进行单向传输（要么发送，要么接收）。RS485 模块负责在发送和接收模式之间切换，避免了在单一总线上进行双向通信时出现冲突。

具体串口配置：

配置串口为异步通信，并且打开串口的接收中断。

RS485模块的TXD和RXD分别连接到PA10和PA9。

代码编写：

这部分的话其实是和普通串口发送是一样的。

有一些模块的话是需要手动控制电平来切换选择是接收模式还是发送模式的，我这里的话把这部分代码也给添加上了。

// 假设控制 DE 引脚的 GPIO 为 GPIOB_PIN_0
// 控制 RS485 模块的 DE 引脚的函数
void RS485_SetTransmitMode(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);  // 拉高 DE 引脚，进入发送模式
}

void RS485_SetReceiveMode(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低 DE 引脚，进入接收模式
}

// 发送数据
void RS485_SendData(uint8_t *data, uint16_t size)
{
    RS485_SetTransmitMode();  // 切换到发送模式
    HAL_UART_Transmit(&huart1, data, size, HAL_MAX_DELAY);
    RS485_SetReceiveMode();   // 切换回接收模式
}

// 接收数据
void RS485_ReceiveData(uint8_t *buffer, uint16_t size)
{
    RS485_SetReceiveMode();   // 确保处于接收模式
    HAL_UART_Receive(&huart1, buffer, size, HAL_MAX_DELAY);
}