单片机RS485通信接口、控制线、原理图及程序实例

RS232 标准是诞生于 RS485 之前的，但是 RS232 有几处不足的地方：

接口的信号电平值较高，达到十几 V，使用不当容易损坏接口芯片，电平标准也与TTL 电平不兼容。传输速率有局限，不可以过高，一般到一两百千比特每秒(Kb/s)就到极限了。接口使用信号线和 GND 与其它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。传输距离有限，最多只能通信几十米。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，它具备以下的特点：

采用差分信号。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。尤其当工业现场环境比较复杂，干扰比较多时，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用两根通信线，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。RS485 通信速率快，最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。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。传输距离最远可以达到 1200 米左右，但是它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。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，与 RS232 所使用的 MAX232 是类似的，只需要一个 RS485转换器，就可以直接与单片机的 UART 串口连接起来，并且使用完全相同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 转换芯片很多，这节课我们以典型的 MAX485 为例讲解 RS485 通信，如图 18-1所示。

图 18-1 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 RS485 通信中的 A 和 B 两个引脚；1 脚和 4 脚分别接到单片机的 RXD 和 TXD引脚上，直接使用单片机 UART 进行数据接收和发送；2 脚和 3 脚是方向引脚，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 的抗干扰能力，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 都是可以。

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 J4、J5、J6、J7 这 4 个器件，如图 18-2 所示。

图 18-2 单片机扩展接口

这 32 个 IO 口中并不是所有的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 口以外的其它 29 个，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，板子上的相应功能就实现不了了，也就是说需要扩展功能和板载功能之间二选一。

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 RS485 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 章实用的串口通信方法和程序后，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例程的思路，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 MAX485 设置为接收状态，只有在发送数据的时候才将 MAX485 改为发送状态，所以在 UartWrite()函数开头将 MAX485 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：当紧接着向 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 MAX485 方向引脚拉低以使 MAX485 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 50us 的延时，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 <reg52.h>#include <intrins.h>sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向选择引脚bit flagFrame = 0; //帧接收完成标志，即接收到一帧新数据bit flagTxd = 0; //单字节发送完成标志，用来替代 TXD 中断标志位unsigned char cntRxd = 0; //接收字节计数器unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字节缓冲区extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);/* 串口配置函数，baud-通信波特率 */void ConfigUART(unsigned int baud){RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收方向SCON = 0x50; //配置串口为模式 1TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2TH1 = 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}/* 软件延时函数，延时时间(t*10)us */void DelayX10us(unsigned char t){do {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();} while (--t);}/* 串口数据写入，即串口发送函数，buf-待发送数据的指针，len-指定的发送长度 */void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){RS485_DIR = 1; //RS485 设置为发送while (len--){ //循环发送所有字节flagTxd = 0; //清零发送标志SBUF = *buf++; //发送一个字节数据while (!flagTxd); //等待该字节发送完成}DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成，延时时间由波特率决定RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收}/* 串口数据读取函数，buf-接收指针，len-指定的读取长度，返回值-实际读到的长度 */unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){unsigned char i;//指定读取长度大于实际接收到的数据长度时，//读取长度设置为实际接收到的数据长度if (len > cntRxd){len = cntRxd;}for (i=0; i<len; i++){ //拷贝接收到的数据到接收指针上*buf++ = bufRxd[i];}cntRxd = 0; //接收计数器清零return len; //返回实际读取长度}/* 串口接收监控，由空闲时间判定帧结束，需在定时中断中调用，ms-定时间隔 */void UartRxMonitor(unsigned char ms){static unsigned char cntbkp = 0;static unsigned char idletmr = 0;if (cntRxd > 0){ //接收计数器大于零时，监控总线空闲时间if (cntbkp != cntRxd){ //接收计数器改变，即刚接收到数据时，清零空闲计时cntbkp = cntRxd;idletmr = 0;}else{ //接收计数器未改变，即总线空闲时，累积空闲时间if (idletmr < 30){ //空闲计时小于 30ms 时，持续累加idletmr += ms;if (idletmr >= 30){ //空闲时间达到 30ms 时，即判定为一帧接收完毕flagFrame = 1; //设置帧接收完成标志}}}}else{cntbkp = 0;}}/* 串口驱动函数，监测数据帧的接收，调度功能函数，需在主循环中调用 */void UartDriver(){unsigned char len;unsigned char pdata buf[40];if (flagFrame){ //有命令到达时，读取处理该命令flagFrame = 0;len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //将接收到的命令读取到缓冲区中UartAction(buf, len); //传递数据帧，调用动作执行函数}}/* 串口中断服务函数 */void InterruptUART() interrupt 4{if (RI){ //接收到新字节RI = 0; //清零接收中断标志位//接收缓冲区尚未用完时，保存接收字节，并递增计数器if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){bufRxd[cntRxd++] = SBUF;}}if (TI){ //字节发送完毕TI = 0; //清零发送中断标志位flagTxd = 1; //设置字节发送完成标志}}

/*****************************main.c 文件程序源代码******************************/

#include <reg52.h>unsigned char T0RH = 0; //T0 重载值的高字节unsigned char T0RL = 0; //T0 重载值的低字节void ConfigTimer0(unsigned int ms);extern void UartDriver();extern void ConfigUART(unsigned int baud);extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);void main(){EA = 1; //开总中断ConfigTimer0(1); //配置 T0 定时 1msConfigUART(9600); //配置波特率为 9600while (1){UartDriver(); //调用串口驱动}}/* 串口动作函数，根据接收到的命令帧执行响应的动作buf-接收到的命令帧指针，len-命令帧长度 */void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len){//在接收到的数据帧后添加换车换行符后发回buf[len++] = ' ';buf[len++] = ' ';UartWrite(buf, len);}/* 配置并启动 T0，ms-T0 定时时间 */void ConfigTimer0(unsigned int ms){unsigned long tmp; //临时变量tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节T0RL = (unsigned char)tmp;TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位TMOD |= 0x01; //配置 T0 为模式 1TH0 = T0RH; //加载 T0 重载值TL0 = T0RL;ET0 = 1; //使能 T0 中断TR0 = 1; //启动 T0}/* T0 中断服务函数，执行串口接收监控 */void InterruptTimer0() interrupt 1{TH0 = T0RH; //重新加载重载值TL0 = T0RL;UartRxMonitor(1); //串口接收监控}

现在看这种串口程序，是不是感觉很简单了呢？串口通信程序我们反反复复的使用，加上随着学习的模块越来越多，实践的越来越多，原先感觉很复杂的东西，现在就会感到简单了。从设备管理器里可以查看所有的 COM 口号，我们下载程序用的是 COM4，而 USB 转RS485 虚拟的是 COM5，通信的时候我们用的是 COM5 口，如图 18-3 所示。

图 18-3 RS485 通信试验设置和结果

RS-485通信协议简介

什么是RS-485

RS485⼜名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485，是由电信⾏业协会和电⼦⼯业联盟定义。使⽤该标准的数字通信⽹络能在远距离条件下以及电⼦噪声⼤的环境下有效传输信号。RS-485使得廉价本地⽹络以及多⽀路通信链路的配置成为可能。其中的RS表⽰ recommended standard ，即推荐标准。简单来讲，RS485就是⼀个硬件通信协议，它规定当两线间电压差为+2V ~ +6V时为逻辑“1”，⽽电压差为-2V ~ -6V时为逻辑“0”

RS-485的特点

由于485信号是利用差模传输的，即由485+与485-的电压差来作为信号传输。如果外部有⼀个⼲扰源对其进行干扰，使⽤双绞线进行485信号传输的时候，由于其双绞，干扰对于485+，485-的干扰效果都是⼀样的，那电压差依然是不变的，对于485信号的干扰缩到了最小。同样的道理，如果有屏蔽线起到屏蔽作⽤的话，外部⼲扰源对于其的⼲扰影响也可以尽可能的缩小。

485布线规范是必须要⼿牵⼿的布线，⼀旦没有借助485集线器和485中继器直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。

485总线必须要单点可靠接地。单点就是整个485总线上只能是有⼀个点接地，不能多点接地，因为将其接地是因为要将地线(⼀般都是屏蔽线作地线)上的电压保持⼀致，防止共模⼲扰，如果多点接地适得其反。

RS-485 与单片机

单片机的输出和读取都是TTL电平，⼀般情况下由地线和信号线组成，在远距离传输的情况下，信号线上的干扰信号会随着有效信号被传递到接收端，使得通信容易被干扰。与之相对的，485协议输出的是差分信号，经过TTL转485芯片的转换后其有效信息为两条信号线的电压差，即可大大消除通信时的共模干扰，同时由于其传递的信息随时可以在硬件层面上被测量，而且整个转换过程完全为硬件操作，无需软件编写，因此是⼀种硬件协议。

TTL-485转换器的真值表

实际操作时，芯片的接收器输出端RO与单片机的Rxd相连，驱动器输⼊端DI则与单片机的Txd相连

驱动器的输出逻辑

485芯片既有全双⼯通信（如SN75179、SN75180、MAX488~MAX491、MAX1482）也有半双工通信（如SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX 1487、MAX3082、MAX1483），如果485为半双工通信模式，其在发送信息时便无法读取信息，因此当DE被拉高时完全处于发送信息的状态，此时DI接受单片机写入的数字信号，当输⼊信号DI为1时输出正的差分信号，即A-B>0.2V。当输⼊信号DI为0时输出负差分信号，即B-A>-0.2V（有些芯片是0.3V，⽐如SP3485）