【通信专栏】485通信详解

时间:2024-04-14 18:47:24

在了解485通信之前,需要先了解几个概念,以免一会儿晕头转向。我们在
【通信专栏】一:STM32串口通信(usart)
这篇文章中介绍了一点关于通信分类的内容:
【通信专栏】485通信详解

串行通信与并行通信

串行通信是指一比特一比特的收发数据,相对于并行通信可一次性收发N比特而言。所以串行或者并行通信都是一种概念,是理论层面的。

并行接口:

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串行接口:串行接口必须的为GND,RXD,TXD三条线,其余几条作为握手用,可有可无。
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串行接口

串口,全称"串行接口",也称串行通信接口(通常指COM接口),是采用串行通信方式的扩展接口,乃是物理层面的,常见的有一般电脑应用的RS-232(使用 25 针或 9 针连接器)和工业电脑应用的半双工RS-485与全双工RS-422。

所以我们今天介绍的485通信是一种通信接口,而其软件的通信协议和一般usart通信无二。

串口通信

串口通信是一种通信手段,是相对于以太网方式、红外方式、蓝牙方式、usb方式(usb广义也算串行通信)等而言,是一种比较低级的通信手段。

串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口,这些参数必须匹配。而这些我们熟悉的,便是串口通信协议了。如下图便是异步串口通信协议图:
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当然,串口通信和串行通信对于非专业性人员是一样的,只是理科男非常迷而想搞清楚一些而已。

那我们前面学的USART通信,I2C通信,SPI通信又是什么呢?

拿usart来说:USART是一个全双工通用同步/异步串行收发模块,该接口是一个高度灵活的串行通信设备。所以USART通信,I2C通信,SPI通信都是基于串行通信的理论而研发出的实际串行通信应用,所谓的I2C通信协议只是对该应用的规范。

RS232通信与RS485通信硬件

RS232是一种异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现 ,如下所示:
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RS232接口缺陷:

  • 接口的信号电平值较高(+/-12V),易损坏接口电路的芯片。
  • 传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。
  • 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。
  • 传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在50米左右。
  • RS232不能实现多机通信,能实现点对点通讯。

虽然有以上缺陷,但RS232接口在计算机等设备上很常见,一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口,分别称为 COM1 和 COM2。

485(一般称作RS485/EIA-485)是隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为2线,半双工,多点通信的标准。

RS485特点:

1.接口电平低,不易损坏芯片。

2.传输速率高,10 米时, RS485 的数据最高传输速率可达 35Mbps,在 1200m 时,传输速度可达 100Kbps。

3.抗干扰能力强,RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。

4.传输距离远,支持节点多, RS485 总线最长可以传输 1200m 以上(速率≤100Kbps)一般最大支持 32 个节点,如果使用特制的 485 芯片,可以达到 128 个或者 256 个节点,最大的可以支持到 400 个节点。

注意事项:
1:485推荐使用在线型,总线型网络,而不能是星型,环形网络(牵扯到信号反射,造成干扰)。
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2:传输距离比较远的情况下RS485需要2个终端匹配电阻,其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗120欧姆。(485通讯硬件设计注意事项比较多,稍有不慎就可能对通信造成很大的干扰,要多查资料)

3:具体使用的时候,使用相应的485芯片作为收发器,比如SP3485,max485等
【通信专栏】485通信详解
图中A、B总线接口,用于连接485总线。RO是接收输出端,DI是发送数据收入端,RE是接收使能信号(低电平有效),DE是发送使能信号(高电平有效)。
4:RS485通信解决了RS232通信距离短的问题,但485主要是以一种差分信号进行传输,只需要两根线,+,-两根线,或者也叫A,B两根线。A,B两根线的差分电平信号就是作为数据信号传输。那么就没有RX和TX的概念了,进而发送和接收就不能分开了。发送和接收都是靠这两根的来传输,也就是每次只能作发送或者只能作接收,这就是半双工的概念了,这在效率上就比232弱很多了。

RS485通信过程与实现方法

说了这么多,我们大概也对RS485是个什么东西有了大体的了解,那通信过程是如何进行的呢?我们前面说了,RS485是一种串行接口,它实际运用的还是串行通信协议,和USART无二。

所以在实际编程中,我们需要用到STM32单片机的usart2。
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除了PA3,PA2外,我们还额外定义了一个引脚PA1:
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如注释所说,用途为485模式控制

485通信为半双工,所以我们在发送或接收数据前,都需要先行设置485通信的方向,而方向的设置就是通过485通信模块上的

  • RE:接收使能信号(低电平有效)
  • DE:发送使能信号(高电平有效)

两个使能信号线,我们将RE和DE连接在一起后与PA1连在一起,当PA1置高时,发送使能;当PA1置低时,接收使能;
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待我们usart2配置好后,开启串口接收中断,便可以正常接收数据了,串口中断函数如下:
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程序非常简单,实现的功能便是将串口中断接收到的字符存到字符串RS485_RX_BUF[]中。

通过RS485发送字符串:
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该函数在库函数USART_SendData();的基础上稍加组合,便可实现字符串的发送。

通过RS485接收字符串:

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我们知道,USART通信每接收到一个字符便跳进一次中断,即为一个字一个字的接收。上图函数实现了待所有字符接收完毕,将接收数组内的字符全部取出到另一数组内的操作,意义就是使逻辑更为明了。

RS485通信如何实现多机通信

到此我们便将原子哥的程序分析完了,但上述程序好像只能实现一对一的数据传输,如何发挥RS485通信的强大,实现多机通信呢?像上篇文章
【通信专栏】STM32单片机/SPI通信
结尾,我们提到与从机通信都需要地址和命令码,而且SPI通信时我们可以拉低片选信号来选中某一从机设备。但当运用RS485通信时,主机与从机地址是如何确定的呢?主机(或从机)的数据传输对象是如何确定的呢?

RS485总线是一种常规的通信总线,它不能够做总线的自动仲裁,也就是不能够同时发送数据以避免总线竞争,所以整个系统的通信效率必然较低,数据冗余量较大,对于速度要求高的应用场所不适应用RS485总线。

也就是说,在主机(后者从机)发送数据时,总线上的所有设备都可以接收到,唯一的区别是设备会不会对该数据做出反应。

那如何规定该设备应不应该反应呢?这里需要用到一个modbus协议。

modbus协议

modbus定义了一种数据帧格式:帧头地址功能码数据CRC校验,注意:协议是一种很灵活的东西,目的是定义数据通讯的格式,上面这个是标准的modbus通讯协议,具体应用的时候可以根据实际需要进行裁剪,比如加个帧尾,比如换成其他的校验方式。

我们以

  • 帧头为0XFF 0XFF(两个连续的0XFF)
  • 地址为Address(0x00)
  • 功能码0X01为写入命令
  • 数据data为待写入数据
  • 校验位为0x0D 0X0A

为例,我们便可以自己写一个数据传输协议,就类似与原子哥写的USART1的接收中断一样,地址和功能码都是我们自行规定的。

当发送地址后,485总线上的所有设备都会将接收到的指令的地址码即0x00和它们自己的地址做比较,当一样时知道是发给自己的,当不一样时不做任何回应,从而实现访问485总线的多点通信。
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