正点原子STM32F1系列学习笔记之RS485（HAL库）_正点原子modbus例程

一、RS485介绍

串口、 UART、TTL、RS232、RS422、RS485关系

​ 串口是一个泛称，UART、RS232、RS422和RS485都遵循类似的通信时序协议，被通称为串口

​ UART是STM32的UART外设，由此产生串口时序，产生的电平为CMOS电平

​ TTL、RS232、RS422、RS485是串行通信接口标准。简单来说，就是逻辑1和0的表示不同

RS458介绍

​ 485(一般称作 RS485/EIA-485)隶属于 OSI 模型物理层，是串行通讯的一种。电气特性规定为 2 线，半双工，多点通信的类型。它的电气特性和 RS-232 大不一样。用缆线两端的电压差值来表示传递信号。RS485 仅仅规定了接受端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。

​ RS485是串行通信标准，使用差分信号传输（两个信号的差值），抗干扰能力强，常用于工控领域

​ RS485具有强大的组网功能，在串口基础协议之上还制定MODBUS协议

• 串口基础协议：仅指封装了基本数据包格式的协议（基于数据位）
• MODBUS协议：使用基本数据包组合成通讯帧格式的高层应用协议（基于数据包或字节）

RS485特点

RS485 的特点包括：

1， 接口电平低，不易损坏芯片。RS485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V 表 示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V 表示。接口信号电平比 RS232 降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL 电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。

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 左右，更远的距离则需要中继 传输设备支持但这时（速率≤100Kbps）才能稳定传输，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。

RS485总线连接

​ RS485 推荐使用在点对点网络中，比如：线型，总线型网络等，而不能是星型，环型网络。 理想情况下 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（一般为 120 Ω）。没有特性阻抗的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产生噪声，而且线移需要双端的电压差。没有终接电阻的话，会使得较快速的发送端产生多个数据信号的边缘，导致数据传输出错。

485 推荐的一主多从连接方式如图所示：

​ 在上面的连接中，如果需要添加匹配电阻，我们一般在总线的起止端加入，也就是主机和设备 4 上面各加一个 120Ω的匹配电阻。

​ 图中，节点1可以是主机（STM32），节点2、3等可以是设备。

​ 由于 RS485 具有传输距离远、传输速度快、支持节点多和抗干扰能力更强等特点，所以 RS485有很广泛的应用。实际多设备时收发器有范围为-7V到+12V的共模电压，为了稳定传输， 也有使用 3 线的布线方式，即在原有的 A、B 两线上多增加一条地线。（4 线制使用全双工通讯方式，这种也叫 RS422，由于布线的难度和通讯局限，相对使用得比较少）。

​ TP8485E/SP3485/MAX485 可作为 RS485 的收发器（485收发器就是电平转换芯片），该芯片支持 3.3V~5.5V 供电，最大传输速度可达 250Kbps，支持多达 256 个节点(单位负载为 1/8 的条件下)，并且支持输出短路保护。该芯片（三个芯片都是pin to pin的）的框图如图所示：

​ 图中 A、B 总线接口，用于连接 485 总线。A: 接收器的输入端/ 驱动器的输出端 B : 接收器的输入端 / 驱动器的输出端

接收器：A、B端口接收到电压，转化为RS485电平，输出到RO端口

驱动器：DI端口接受到电平信号，转化为电压（差值）输出到A、B端口

• RO : 接收器输出端
• RE : 接收器输出使能（低电平有效）
• DE : 驱动器输出使能（高电平有效）
• DI : 驱动器输入端

RO接收器输出端：

• 如果 A - B ≥ +0.2V，RO则为高电平
• 如果 A - B ≤ -0.2 V，RO则为低电平

DI驱动器输入端：

• DI为低电平，A为低电平，B为高电平
• DI为高电平，A为高电平，B为低电平

二、正点原子例程

功能

​ 经过前面的学习我们知道实际的 RS485 仍是串行通讯的一种电平传输方式，那么我们实际通讯时可以使用串口进行实际数据的收发处理，使用 485 转换芯片将串口信号转换为 485 的电 平信号进行传输，本章，我们只需要配置好串口 2，就可以实现正常的 485 通信了，串口 2 的 配置和串口 1 基本类似，只是串口 2 的时钟来自 APB1，最大频率为 36Mhz。

​ 本章将实现这样的功能：通过连接两个精英 STM32F103 的 RS485 接口（485 半双工模式无法自收发，我们需要用两个开发板或者 USB 转 485 调试器+串口助手来帮助我们完成测试），然后由 KEY0 控制发送，当按下一个开发板的 KEY0 的时候，就发送 5 个数据给另外一个开发板，并在两个开发板上分别显示发送的值和接收到的值。

原理图

​ 从上图可以看出：开发板的串口 2 和 TP8485 上的引脚连接到 P5 端上的端子，但不直接相 连，所以测试 485 功能时我们需要用跳线帽短接 P5 上的两组排针使之连通。STM32F1 的 PD7控制 RS485 的收发模式：

​ 当 PD7=0 的时候，为接收模式；当 PD7=1 的时候，为发送模式。 另外，图中的 R14 和 R17 是两个偏置电阻，用来保证总线空闲时，A、B 之间的电压差都会大于 200mV（逻辑 1）。从而避免因总线空闲时因 A、B 压差不稳定，可能出现的乱码。 最后，我们用 2 根导线将两个开发板 RS485 端子的 A 和 A，B 和 B 连接起来。这里注意不要接反了（A 接 B），接反了会导致通讯异常！！

RS485 配置步骤

1）使能串口和 GPIO 口时钟

​ 本实验用到 USART2 串口，使用 PA2 和 PA3 作为串口的 TX 和 RX 脚，因此需要先使能 USART2 和 GPIOA 时钟。参考代码如下：

__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); /* 使能 USART2 时钟 */ 
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 使能 GPIOA 时钟 */ 
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2）串口参数初始化（波特率、字长、奇偶校验等）

​ HAL库通过调用串口初始化函数HAL_UART_Init完成对串口参数初始化，详见例程源码。 该函数通常会调用：HAL_UART_MspInit 函数来完成对串口底层的初始化，包括：串口及 GPIO 时钟使能、GPIO 模式设置、中断设置等。但是本实验避免与 USART1 冲突，所以把串口底层初始化没有放在 HAL_UART_MspInit 函数里。

3）GPIO 模式设置（速度，上下拉，复用功能等）

​ GPIO 模式设置通过调用 HAL_GPIO_Init 函数实现，详见本例程源码。

4）开启串口相关中断，配置串口中断优先级

​ 本实验我们使用串口中断来接收数据。我们使用__HAL_UART_ENABLE_IT 函数使能接收中断。通过 HAL_NVIC_EnableIRQ 函数使能串口中断，通过 HAL_NVIC_SetPriority 函数设置中断优先级。

5）编写中断服务函数

​ 串口 2 中断服务函数为：USART2_IRQHandler，当发生中断的时候，程序就会执行中断服 务函数，在这里就可以对接收到的数据进行处理，详见本例程源码。

​ 6）串口数据接收和发送

​ 最后我们可以通过读写 USART_DR 寄存器，完成串口数据的接收和发送，HAL 库也给我们提供了：HAL_UART_Receive 和 HAL_UART_Transmit 两个函数用于串口数据的接收和发送。 大家可以根据实际情况选择使用哪种方式来收发串口数据。

例程源码

rs485.h

#ifndef __RS485_H
#define __RS485_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"


/******************************************************************************************/
/* RS485 引脚 和 串口 定义 
 */
#define RS485_RE_GPIO_PORT                  GPIOD
#define RS485_RE_GPIO_PIN                   GPIO_PIN_7
#define RS485_RE_GPIO_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PD口时钟使能 */

#define RS485_TX_GPIO_PORT                  GPIOA
#define RS485_TX_GPIO_PIN                   GPIO_PIN_2
#define RS485_TX_GPIO_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PA口时钟使能 */

#define RS485_RX_GPIO_PORT                  GPIOA
#define RS485_RX_GPIO_PIN                   GPIO_PIN_3
#define RS485_RX_GPIO_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PA口时钟使能 */

#define RS485_UX                            USART2
#define RS485_UX_IRQn                       USART2_IRQn
#define RS485_UX_IRQHandler                 USART2_IRQHandler
#define RS485_UX_CLK_ENABLE()               do{ __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* USART2 时钟使能 */

/******************************************************************************************/

/* 控制RS485_RE脚, 控制RS485发送/接收状态
 * RS485_RE = 0, 进入接收模式
 * RS485_RE = 1, 进入发送模式
 */
#define RS485_RE(x)   do{ x ? \
                          HAL_GPIO_WritePin(RS485_RE_GPIO_PORT, RS485_RE_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
                          HAL_GPIO_WritePin(RS485_RE_GPIO_PORT, RS485_RE_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                      }while(0)


#define RS485_REC_LEN               64          /* 定义最大接收字节数 64 */
#define RS485_EN_RX                 1           /* 使能（1）/禁止（0）RS485接收 */


extern uint8_t g_RS485_rx_buf[RS485_REC_LEN];   /* 接收缓冲,最大RS485_REC_LEN个字节 */
extern uint8_t g_RS485_rx_cnt;                  /* 接收数据长度 */


void rs485_init( uint32_t baudrate);  /* RS485初始化 */
void rs485_send_data(uint8_t *buf, uint8_t len);    /* RS485发送数据 */
void rs485_receive_data(uint8_t *buf, uint8_t *len);/* RS485接收数据 */

#endif
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rs485_init 函数

​ rs485_init 的配置与串口类似，也需要设置波特率等参数，另外还需要配置收发模式的驱动引脚，我们的程序设计如下：

/**
 * @brief       RS485初始化函数
 *   @note      该函数主要是初始化串口
 * @param       baudrate: 波特率, 根据自己需要设置波特率值
 * @retval      无
 */
void rs485_init(uint32_t baudrate)
{
    /* IO 及 时钟配置 */
    RS485_RE_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 使能 RS485_RE 脚时钟 */
    RS485_TX_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 使能 串口TX脚 时钟 */
    RS485_RX_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 使能 串口RX脚 时钟 */
    RS485_UX_CLK_ENABLE();      /* 使能 串口 时钟 */

    GPIO_InitTypeDef gpio_initure;
    gpio_initure.Pin = RS485_TX_GPIO_PIN;
    gpio_initure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    gpio_initure.Pull = GPIO_PULLUP;
    gpio_initure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(RS485_TX_GPIO_PORT, &gpio_initure); /* 串口TX 脚 模式设置 */

    gpio_initure.Pin = RS485_RX_GPIO_PIN;
    gpio_initure.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(RS485_RX_GPIO_PORT, &gpio_initure); /* 串口RX 脚 必须设置成输入模式 */

    gpio_initure.Pin = RS485_RE_GPIO_PIN;
    gpio_initure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    gpio_initure.Pull = GPIO_PULLUP;
    gpio_initure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(RS485_RE_GPIO_PORT, &gpio_initure); /* RS485_RE 脚 模式设置 */

    /* USART 初始化设置 */
    g_rs458_handler.Instance = RS485_UX;                  /* 选择485对应的串口 */
    g_rs458_handler.Init.BaudRate = baudrate;             /* 波特率 */
    g_rs458_handler.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; /* 字长为8位数据格式 */
    g_rs458_handler.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;      /* 一个停止位 */
    g_rs458_handler.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;       /* 无奇偶校验位 */
    g_rs458_handler.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; /* 无硬件流控 */
    g_rs458_handler.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;          /* 收发模式 */
    HAL_UART_Init(&g_rs458_handler);                      /* HAL_UART_Init()会使能UART2 */

#if RS485_EN_RX /* 如果使能了接收 */
    /* 使能接收中断 */
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&g_rs458_handler, UART_IT_RXNE); /* 开启接收中断 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(RS485_UX_IRQn);                    /* 使能USART2中断 */
    HAL_NVIC_SetPriority(RS485_UX_IRQn, 3, 3);            /* 抢占优先级3，子优先级3 */
#endif

    RS485_RE(0); /* 默认为接收模式 */
}
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​ 可以看到代码基本跟串口的配置一样，只是多了收发控制引脚的配置

发送函数

​ 发送函数用于输出 485 信号到 485 总线上，我的默认的 485 方式一般空闲时为接收状态， 只有发送数据时我们才控制 485 芯片进入发送状态，发送完成后马上回到空闲接收状态，这样 可以保证操作过程中 485 的数据丢失最小。我们实现的发送函数如下：

/**
 * @brief       RS485发送len个字节
 * @param       buf     : 发送区首地址
 * @param       len     : 发送的字节数(为了和本代码的接收匹配,这里建议不要超过 RS485_REC_LEN 个字节)
 * @retval      无
 */
void rs485_send_data(uint8_t *buf, uint8_t len)
{
    RS485_RE(1);                                         /* 进入发送模式 */
    HAL_UART_Transmit(&g_rs458_handler, buf, len, 1000); /* 串口2发送数据 */
    g_RS485_rx_cnt = 0;
    RS485_RE(0); /* 进入接收模式 */
}
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485 接收中断函数

RS485 的接收就与串口中断一样了，不过要注意空闲时要切换回接收状态，否则会收不到 数据。我们定义了一个全局的缓冲区 g_RS485_rx_buf 进行接收测试，通过串口中断接收数据， 编写的接收代码如下：
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UART_HandleTypeDef g_rs458_handler;     /* RS485控制句柄(串口) */

#ifdef RS485_EN_RX /* 如果使能了接收 */

uint8_t g_RS485_rx_buf[RS485_REC_LEN]; /* 接收缓冲, 最大 RS485_REC_LEN 个字节. */
uint8_t g_RS485_rx_cnt = 0;            /* 接收到的数据长度 */

void RS485_UX_IRQHandler(void)
{
    uint8_t res;

    if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&g_rs458_handler, UART_FLAG_RXNE) != RESET)) /* 接收到数据 */
    {
        HAL_UART_Receive(&g_rs458_handler, &res, 1, 1000);

        if (g_RS485_rx_cnt < RS485_REC_LEN)         /* 缓冲区未满 */
        {
            g_RS485_rx_buf[g_RS485_rx_cnt] = res;   /* 记录接收到的值 */
            g_RS485_rx_cnt++;                       /* 接收数据增加1 */
        }
    }
}

#endif
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485 查询接收数据函数

​ 该函数用于查询 485 总线上接收到的数据，主要实现的逻辑是：一开始进入函数时，先记录下当前接收计数器的值，再来一个延时去判断接收是否结束（即该期间有无接收到数据），假如说接收计数器的值没有改变，就证明接收结束，我们就可以把当前接收缓冲区传递出去。函数实现如下：

/**
 * @brief       RS485查询接收到的数据
 * @param       buf     : 接收缓冲区首地址
 * @param       len     : 接收到的数据长度
 *   @arg               0   , 表示没有接收到任何数据
 *   @arg               其他, 表示接收到的数据长度
 * @retval      无
 */
void rs485_receive_data(uint8_t *buf, uint8_t *len)
{
    uint8_t rxlen = g_RS485_rx_cnt;
    uint8_t i = 0;
    *len = 0;     /* 默认为0 */
    delay_ms(10); /* 等待10ms,连续超过10ms没有接收到一个数据,则认为接收结束 */

    if (rxlen == g_RS485_rx_cnt && rxlen) /* 接收到了数据,且接收完成了 */
    {
        for (i = 0; i < rxlen; i++)
        {
            buf[i] = g_RS485_rx_buf[i];
        }

        *len = g_RS485_rx_cnt; /* 记录本次数据长度 */
        g_RS485_rx_cnt = 0;    /* 清零 */
    }
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main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./USMART/usmart.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/RS485/rs485.h"


int main(void)
{
    uint8_t key;
    uint8_t i = 0, t = 0;
    uint8_t cnt = 0;
    uint8_t rs485buf[5];

    HAL_Init();                                 /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);         /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                             /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                         /* 串口初始化为115200 */
    usmart_dev.init(72);                        /* 初始化USMART */
    led_init();                                 /* 初始化LED */
    lcd_init();                                 /* 初始化LCD */
    key_init();                                 /* 初始化按键 */
    rs485_init(9600);                           /* 初始化RS485 */

    lcd_show_string(30,  50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    lcd_show_string(30,  70, 200, 16, 16, "RS485 TEST", RED);
    lcd_show_string(30,  90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0:Send", RED);    /* 显示提示信息 */

    lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Count:", RED);       /* 显示当前计数值 */
    lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "Send Data:", RED);   /* 提示发送的数据 */
    lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "Receive Data:", RED);/* 提示接收到的数据 */

    while (1)
    {
        key = key_scan(0);

        if (key == KEY0_PRES)   /* KEY0按下,发送一次数据 */
        {
            for (i = 0; i < 5; i++)
            {
                rs485buf[i] = cnt + i;      /* 填充发送缓冲区 */
                lcd_show_xnum(30 + i * 32, 170, rs485buf[i], 3, 16, 0X80, BLUE);    /* 显示数据 */
            }

            rs485_send_data(rs485buf, 5);   /* 发送5个字节 */
        }

        rs485_receive_data(rs485buf, &key);

        if (key)    /* 接收到有数据 */
        {
            if (key > 5)key = 5;    /* 最大是5个数据. */

            for (i = 0; i < key; i++)
            {
                lcd_show_xnum(30 + i * 32, 210, rs485buf[i], 3, 16, 0X80, BLUE);    /* 显示数据 */
            }
        }

        t++;
        delay_ms(10);

        if (t == 20)
        {
            LED0_TOGGLE();  /* LED0闪烁, 提示系统正在运行 */
            t = 0;
            cnt++;
            lcd_show_xnum(30 + 48, 130, cnt, 3, 16, 0X80, BLUE);    /* 显示数据 */
        }
    }
}
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​ 我们是通过按键控制数据的发送。在此部分代码中，cnt 是一个累加数，一旦 KEY0 按下， 就以这个数位基准连续发送 5 个数据。当 485 总线收到数据得时候，就将收到的数据直接显示 在 LCD 屏幕上。

​ 在代码编译成功之后，需要下载代码到正点原子精英 STM32F103 上（注意要 2 个开 发板都下载这个代码）