在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域,通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。最初采用的方式是RS232接口,由于工业现场比较复杂,各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰,会导致信号传输错误。除此之外,RS232接口只能实现点对点通信,不具备联网功能,最大传输距离也只能达到几十米,不能满足远距离通信要求。而RS485则解决了这些问题,数据信号采用差分传输方式,可以有效的解决共模干扰问题,最大距离可以到1200米,并且允许多个收发设备接到同一条总线上。随着工业应用通信越来越多,1979年施耐德电气制定了一个用于工业现场的总线协议Modbus协议,现在工业中使用RS485通信场合很多都采用
Modbus协议,本文我们要讲解一下RS485通信和Modbus协议、单单使用一块KST-51开发板是不能够进行RS485实验的,应很多同学的要求,作为扩展课程讲一下,如果要做本文相关实验,需要自行购买USB转485通信模块。
RS485通信实际上在RS485之前RS232就已经诞生,但是RS232有几处不足的地方:
1、接口的信号电平值较高,达到十几V,容易损坏接口电路的芯片,而且和TTL电平不兼容,因此和单片机电路接起来的话必须加转换电路。
2、传输速率有局限,不可以过高,一般到几十Kb/s就到极限了。
3、接口使用信号线和GND与其他设备形成共地模式的通信,这种共地模式传输容易产生干扰,并且抗干扰性能也比较弱。
4、传输距离有限,最多只能通信几十米。
5、通信的时候只能两点之间进行通信,不能够实现多机联网通信。
针对RS232接口的不足,就不断出现了一些新的接口标准,RS485就是其中之一,他具备以下的特点:
1、我们在讲A/D的时候,讲过差分信号输入的概念,同时也介绍了差分输入的好处,最大的优势是可以抑制共模干扰。尤其工业现场的环境比较复杂,干扰比较多,所以通信如果采用的是差分方式,就可以有效的抑制共模干扰。而RS485就是一种差分通信方式,它的通信线路是两根,通常用A和B或者D+和D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V表示,逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V来表示,是一种典型的差分通信。
2、RS485通信速度快,最大传输速度可以达到10Mb/s以上。
3、RS485内部的物理结构,采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合,抗干扰能力也大大增加。
4、传输距离最远可以达到1200米左右,但是他的传输速率和传输距离是成反比的,只有在100Kb/s以下的传输速度,才能达到最大的通信距离,如果需要传输更远距离可以使用中继。
5、可以在总线上进行联网实现多机通信,总线上允许挂多个收发器,从现有的RS485芯片来看,有可以挂32、64、128、256等不同个设备的驱动器。RS485的接口非常简单,和RS232所使用的MAX232是类似的,只需要一个RS485转换器,就可以直接和我们单片机的UART串行接口连接起来,并且完全使用的是和UART一致的异步串行通信协议。但是由于RS485是差分通信,因此接收数据和发送数据是不能同时进行的,也就是说它是一种半双工通信。那我们如何判断什么时候发送,什么时候接收呢?RS485类的芯片很多,本文我们以MAX485为例讲解RS485通信,如图所示。
MAX485硬件接口MAX485是美信(Maxim)推出的一款常用RS485转换器。其中5脚和8脚是电源引脚,6脚和7脚就是485通信中的A和B两个引脚,而1脚和4脚分别接到我们单片机的RXD和TXD引脚上,直接使用单片机UART进行数据接收和发送。而2脚和3脚就是方向引脚了,其中2脚是低电平使能接收器,3脚是高电平使能输出驱动器。我们把这两个引脚连到一起,平时不发送数据的时候,保持这两个引脚是低电平,让MAX485处于接收状态,当需要发送数据的时候,把这个引脚拉高,发送数据,发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高RS485的抗干扰性能,需要在靠近MAX485的A和B引脚之间并接一个电阻,这个电阻阻值从100欧到1K都可以。在这里我们还要介绍一下如何使用KST-51单片机开发板进行外围扩展实验。我们的开发板只能把基本的功能给同学们做出来提供实验练习,但是同学们学习的脚步不应该停留在这个实验板上。如果想进行更多的实验,就可以通过单片机开发板的扩展接口进行扩展实验。大家可以看到蓝绿色的单片机座周围有32个插针,这32个插针就是把单片机的32个IO引脚全部都引出来了。在原理图上体现出来的就是我们的J4、J5、J6、J7这4个器件。
单片机扩展接口这32个IO口不是所有的IO口都可以用来对外扩展,其中既作为数据输出,又可以作为数据输入的引脚是不可以用的,比如P3.2、P3.4、P3.6引脚,这三个引脚是不可用的。比如P3.2这个引脚,如果我们用来扩展,发送的信号如果和DS18B20的时序吻合,会导致DS18B20拉低引脚,影响通信。除这3个IO口以外的其他29个IO口,都可以使用杜邦线接上插针,扩展出来使用。当然了,如果把当前的IO口应用于扩展功能了,板子上的相应的功能就实现不了了,也就是说需要扩展功能和板载功能二选一。
在进行RS485实验中,我们通信用的引脚必须是P3.0和P3.1,此外还有一个方向控制引脚,我们使用杜邦线将其连接到P1.7上去。RS485的另外一端,大家可以使用一个USB转485模块,用双绞线把开发板和模块上的A和B分别对应连起来,USB那头插入电脑,然后就可以进行通信了。学习了第13章的实用串口通信的方法和程序后,做这种串口通信的方法就很简单了,基本是一致的。我们使用实用串口通信的思路,做了一个简单的程序,通过串口调试助手下发任意个字符,单片机接收到后在末尾添加“回车+换行”符后再送回,在调试助手上重新显示出来,先把程序贴出来。程序中需要注意的一点是:因为平常都是将485设置为接收状态,只有在发送数据的时候才将485改为发送状态,所以在UartWrite()函数开头将485方向引脚拉高,函数退出前再拉低。但是这里有一个细节,就是单片机的发送和接收中断产生的时刻都是在停止位的一半上,也就是说每当停止位传送了一半的时候,RI或TI就已经置位并且马上进入中断(如果中断使能的话)函数了,接收的时候自然不会存在问题,但发送的时候就不一样了:当紧接这向SBUF写入一个字节数据时,UART硬件会在完成上一个停止位的发送后,再开始新字节的发送,但如果此时不是继续发送下一个字节,而是已经发送完毕了,要停止发送并将485方向引脚拉低以使485重新处于接收状态时就有问题了,因为这时候最后的这个停止位实际只发送了一半,还没有完全完成,所以就有了UartWrite()函数内DelayX10us(5)这个操作,这是人为的增加了延时50us,这50us的时间正好让剩下的一半停止位完成,那么这个时间自然就是由通信波特率决定的了,为波特率周期的一半。
/***********************RS485.c文件程序源代码*************************/
#include
#include
sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485方向选择引脚
bit flagOnceTxd = 0; //单次发送完成标志,即发送完一个字节
bit cmdArrived = 0; //命令到达标志,即接收到上位机下发的命令
unsigned char cntRxd = 0;
unsigned char pdata bufRxd[40]; //串口接收缓冲区
void ConfigUART(unsigned int baud) //串口配置函数,baud为波特率
{
RS485_DIR = 0; //RS485设置为接收方向
SCON = 0x50; //配置串口为模式1
TMOD &= 0x0F; //清零T1的控制位
TMOD |= 0x20; //配置T1为模式2
TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud; //计算T1重载值
TL1 = TH1; //初值等于重载值
ET1 = 0; //禁止T1中断
ES = 1; //使能串口中断
TR1 = 1; //启动T1
}
unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len) //串口数据读取函数,数据接收指针buf,读取数据长度len,返回值为实际读取到的数据长度
{
unsigned char i;
if (len > cntRxd) //读取长度大于接收到的数据长度时,
{
len = cntRxd; //读取长度设置为实际接收到的数据长度
}
for (i=0; i
{
*buf = bufRxd[ i];
buf++;
}
cntRxd = 0; //清零接收计数器
return len; //返回实际读取长度
}
void DelayX10us(unsigned char t) //软件延时函数,延时时间(t*10)us
{
do {
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();