STM32通訊介面RS485

18.1關於 RS485

RS485是美國電子工業協會（Electronic Industries Association，EIA）於1983年釋出的序列通訊介面標準，經通訊工業協會（TIA）修訂後命名為TIA/EIA-485-A

RS485具有支援多節點（32個節點）、傳輸距離遠（最大1219m）、接收靈敏度高（200mV電壓）、連線簡單（在構成通訊網路時，僅需要一對雙絞線作傳輸線）、能抑制共模干擾（差分傳輸）、成本低廉等特點，在多站、遠距離通訊等多種工控環境中獲得了廣泛應用。

RS485比RS232晚出現20多年，很多RS232的缺點，在RS485上有了改進。

RS232的電平從-15V至+15V，較高的電平值易損壞介面電路的晶片，而RS485採用差分訊號後，電平範圍為-6V至+6V，相對不易損壞介面電路晶片，同時RS485介面訊號電平與TTL訊號電平相容，便於連線TTL電路。

RS232傳輸速率比較低，傳輸速率為20Kbps，而RS485最高傳輸速率達10Mbps。過高的傳輸速率會降低傳輸距離，在實際應用中，RS485傳輸速率往往設定為9600bps或更低。

RS232採用邏輯電平，共地傳輸容易產生共模干擾，抗噪聲干擾性弱，傳輸距離有限，常用傳輸距離就幾十米左右。而RS485採用平衡傳送和差分接收方式，具有抑制共模干擾的能力，加之匯流排收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，因此RS485的傳輸距離達到千米以外。

RS232在匯流排上只允許連線1個收發器，即單站能力，而RS485在匯流排上允許連線多達128個收發器，即具有多站能力，可以利用單一的RS485方便地建立起裝置網路，如圖 18.1.1 所示，為RS485通訊網路結構。

在RS485通訊網路中，通常使用485收發器將TTL電平轉換成RS485的差分訊號。MCU的串列埠控制器TxD傳送資料，經485收發器轉換成差分訊號，傳輸到匯流排上。接收資料時，485收發器將匯流排上的差分訊號轉化成TTL訊號由RxD到串列埠控制器。整個通訊網路中，通常只有一個主機，剩下的全部為從機。在RS485匯流排中，通常還需要在匯流排起止端分別加上約120Ω的終端匹配電阻，以保證RS485匯流排的穩定性。

RS485同樣可以使用DB9介面將訊號引腳引出，實際工程中通常使用接線端子引出，如圖 18.1.2 所示。圖中左邊的為螺釘式接線端子，適合固定連線的場合，圖中右邊為插拔式接線端子，適合需要調整的場合。本開發板使用的插拔式接線端子，如上圖 3.3.1 中編號10部分所示。

18.2 硬體設計

如圖 18.2.1 為開發板RS485部分的原理圖，U16為3.3V低功耗半雙工收發器，滿足RS-485和RS-422標準。 USART的RX和TX，經過U16轉換，變為RS485的A、B。

U16的2腳RE����為接收使能，上劃線表示低電平有效，即當U16的2腳為低電平時，U16接收資料。U16的3 腳DE為輸出使能，高電平有效，即當U16的3腳為高電平是，U16傳送資料。

因此，RS485除了USART，還多了一個收發控制引腳，該引腳使用的PC5。R64為終端匹配電阻，阻值為120Ω。

結合前面圖 17.2.1 電路和表格可知，如果需要將USART2分配給RS485使用，還要將J11（藍色撥碼開關）的1號腳撥到ON位置。

18.3軟體設計

18.3.1軟體設計思路

實驗目的：RS485是差分訊號，收發資料時，A、B都在工作。開發板也只提供了一個RS485介面，因此不能自發自收實驗，需要至少兩個RS485裝置進行實驗。這裡假設兩個開發板進行RS485通訊，一個做主機，一個做從機，主機傳送資料給從機，從機收到資料再發給主機，實現兩個裝置的收發資料，供讀者參考和方便移植。

1. 初始化USART1、2：設定波特率，收發選擇，有效資料位等；
2. 將所使用的串列埠引腳初始化：USART使能、GPIO埠時鐘使能、GPIO引腳設定為USART複用；
3. RS485採用中斷方式傳送，編寫中斷回撥函數；
4. 主函數編寫控制邏輯：按下按鍵KEY1（KEY_U），主機RS485傳送一次資料，從機RS485接收到資料並列印，然後從機RS485傳送資料，主機RS485接受到資料並列印；
5. 在軟體方面，RS485的本質跟串列埠沒有差別，不同的地方在於：RS485在傳送、接收之前，需要設定收發控制引腳。

本實驗配套程式碼位於「5_程式原始碼\10_通訊—RS485\」。

18.3.2軟體設計講解

1. GPIO 引腳選擇與串列埠選擇
   本實驗會用到兩個串列埠，USART1用於偵錯、USART2用於RS485，在程式碼框架上，將每個串列埠都單獨放在「.c」檔案裡，方便修改裁剪。

程式碼段 18.3.1 偵錯串列埠 USART1 相關宏定義（driver_usart1.h）

/*********************
* 引腳宏定義
**********************/
#define DEBUG_USART USART1
#define DEBUG_USART_RX_PIN GPIO_PIN_10
#define DEBUG_USART_TX_PIN GPIO_PIN_9
#define DEBUG_USART_PORT GPIOA
#define DEBUG_USART_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define DEBUG_USART_CLK_EN() __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE()
#define DEBUG_USART_CLK_DIS() __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE()
#define DEBUG_USART_IRQn USART1_IRQn

程式碼段 18.3.2 偵錯串列埠 USART2 相關宏定義（driver_usart2.h）

/*********************
* 引腳宏定義
**********************/
#define RS485 USART2
#define RS485_RX_PIN GPIO_PIN_3
#define RS485_TX_PIN GPIO_PIN_2
#define RS485_PORT GPIOA
#define RS485_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define RE_DE_PIN GPIO_PIN_5
#define RE_DE_PORT GPIOC
#define RE_DE_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE()
/*********************
* 函數宏定義
**********************/
// 此引腳高電平是傳送有效接收無效；低電平時接收有效傳送無效
#define RE_DE_TX() HAL_GPIO_WritePin(RE_DE_PORT, RE_DE_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define RE_DE_RX() HAL_GPIO_WritePin(RE_DE_PORT, RE_DE_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define RS485_IRQn USART2_IRQn
#define RS485_IRQHandler USART2_IRQHandler
#define RS485_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE()
#define RS485_CLK_DISABLE() __HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE()

分別定義了兩個串列埠、對應GPIO、時鐘使能，方便程式碼複用，同時定義了RS485的收發控制引腳。

2. 初始化USART
   USART初始化包含兩部分：協定部分和硬體部分。
   協定部分放在各自「.c」檔案裡，硬體部分都是呼叫「HAL_UART_Init()」，單獨建立一個「.c」檔案處理。USART1作為偵錯串列埠，初始化和前面的實驗一樣，這裡直接跳過。USART2作為RS485，初始化如程式碼段 18.3.3 所示。

程式碼段 18.3.3 USART2 初始化（driver_usart2.c）

/*
* 函數名：void RS485_Init(uint32_t baudrate)
* 輸入引數：baudrate-串列埠波特率
* * 輸出引數：無
* 返回值：無
* 函數作用：初始化 USART 的波特率，收發選擇，有效資料位等
*/
void RS485_Init(uint32_t baudrate)
{
husart2.Instance = RS485; // 選擇 USART2
husart2.Init.BaudRate = baudrate; // 設定波特率
husart2.Init.WordLength = USART_WORDLENGTH_8B; // 設定資料有效位為 8bit
husart2.Init.StopBits = USART_STOPBITS_1; // 設定一位停止位
husart2.Init.Parity = USART_PARITY_NONE; // 不設校驗位
husart2.Init.Mode = USART_MODE_TX_RX; // 可收可發
husart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
// 使用庫函數初始化 USART2 的引數
if (HAL_UART_Init(&husart2) != HAL_OK)
{
Error_Handler(); } }

RS485的本質還是串列埠，串列埠的初始化和之前的基本一樣。RS485通常也遵循「96-N-8-1」格式，96指波特率9600，N指無校驗，8指8bits資料位，1指1bit停止位。

串列埠協定初始化完後，都呼叫「HAL_UART_Init()」進行設定，在「HAL_UART_Init()」呼叫
「HAL_UART_MspInit()」初始化串列埠硬體部分。

程式碼段 18.3.4 USART MSP 初始化（driver_msp_usart.c）

/*
* 函數名：void AL_USART_MspInit(USART_HandleTypeDef* husart)
* 輸入引數：husart-USART 控制程式碼
* 輸出引數：無
* 返回值：無
* 函數作用：使能 USART1、2 的時鐘，使能引腳時鐘，並設定引腳的複用功能
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* husart)
{
// 定義 GPIO 結構體物件
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(husart->Instance==DEBUG_USART) {
// 使能 USART1 的時鐘
DEBUG_USART_CLK_EN();
// 使能 USART1 的輸入輸出引腳的時鐘
DEBUG_USART_GPIO_CLK_EN();
/**USART1 GPIO Configuration
PA9 ------> USART1_TX
PA10 ------> USART1_RX
*/
GPIO_InitStruct.Pin = DEBUG_USART_TX_PIN; // 選擇 USART1 的 TX 引腳
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 設定為複用推輓功能
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引腳翻轉速率快
HAL_GPIO_Init(DEBUG_USART_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 TX 引腳
GPIO_InitStruct.Pin = DEBUG_USART_RX_PIN; // 選擇 RX 引腳
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT; // 設定為輸入
HAL_GPIO_Init(DEBUG_USART_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 RX 引腳
}
else if(husart->Instance==RS485) {
// 使能 USART2 的時鐘
RS485_CLK_ENABLE();
// 使能 USART2 的輸入輸出和方向引腳的時鐘
RS485_GPIO_CLK_EN();
RE_DE_GPIO_CLK_EN();
/**USART2 GPIO Configuration
PA2 ------> USART2_TX
PA3 ------> USART2_RX
*/
GPIO_InitStruct.Pin = RS485_TX_PIN; // 選擇 USART2 的 TX 引腳
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 設定為複用推輓功能
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引腳翻轉速率快
HAL_GPIO_Init(RS485_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 TX 引腳
GPIO_InitStruct.Pin = RS485_RX_PIN; // 選擇 RX 引腳
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; // 設定為輸入
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不上拉
HAL_GPIO_Init(RS485_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 RX 引腳
GPIO_InitStruct.Pin = RE_DE_PIN; // 選擇方向引腳
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 設定為輸出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不上拉
HAL_GPIO_Init(RE_DE_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化方向引腳
RE_DE_RX(); // 初始化後預設處於接收狀態
HAL_NVIC_SetPriority(RS485_IRQn, 1, 1); // 設定 USART2 的中斷等級（0-15）（0-15）
// 規則：(0,0)最高，(0,1)次之依次由高到低排序到(15,15)
HAL_NVIC_EnableIRQ(RS485_IRQn); // 使能 USART2 的中斷
} }

先後初始化了USART1和USART2的硬體部分，其中USART2設定了中斷優先順序和使能了中斷，便可以使用「HAL_UART_Receive_IT()」和「HAL_UART_Transmit_IT()」收發資料。接著將RS485的收發函數進行封裝，如程式碼段 18.3.5 所示。

程式碼段 18.3.5 RS485 收發函數（driver_usart2.c）

/*
* 函數名：void RS485_Tx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
* 輸入引數：pdata->指向傳送資料所儲存的首地址
sz->傳送資料個數
* 輸出引數：無
* 返回值：無
* 函數作用：USART2 的傳送函數
*/
void RS485_Tx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
{
usart2_tx_finish = 0;
RE_DE_TX();
HAL_UART_Transmit_IT(&husart2, pdata, sz); }
/*
* 函數名：void RS485_Rx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
* 輸入引數：pdata->指向接收資料所儲存的首地址
sz->接收資料個數
* 輸出引數：無
* 返回值：無
* 函數作用：USART2 的接收函數
*/
void RS485_Rx(uint8_t *pdata, uint16_t sz)
{
usart2_rx_finish = 0;
HAL_UART_Receive_IT(&husart2, pdata, sz); }

• 11行：usart2_tx_finish為一個全域性變數，用來標記USART2是否傳送完成。這裡將其設定為0，USART2傳送完成後，在中斷函數將其置為1，通過該標記便可得知USART2是否傳送完成；
• 13行：RS485裝置通常預設為接收狀態，以方便接收資料。這裡傳送資料，需要手動臨時改為傳送狀態；
• 14行：呼叫串列埠中斷函數傳送資料；
• 27行：usart2_rx_finish為一個全域性變數，用來標記USART2是否接收完成。這裡將其設定為0，USART2接收資料完成後，在中斷函數將其置為1，通過該標記便可得知USART2是否接收到資料；
• 29行：RS485裝置通常預設為接收狀態，這裡無需其它設定，直接呼叫串列埠中斷函數接收資料；

3. 中斷回撥函數
   當USART2發生中斷時，將自動呼叫「USART2_IRQHandler()」，「USART2_IRQHandler()」又呼叫「HAL_UART_IRQHandler()」，最後呼叫「HAL_UART_TxCpltCallback()」或「HAL_UART_RxCpltCallback()」， 在這兩個回撥函數裡修改USART2接收/傳送完成標誌，以便後面查詢是否收發成功。

程式碼段 18.3.6 USART2 中斷回撥函數（driver_msp_usart.c）

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if(huart->Instance == RS485) {
usart2_tx_finish = 1;
RE_DE_RX(); } }
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if(huart->Instance == RS485) {
usart2_rx_finish = 1; } }

在傳送完成回撥函數裡，需要將RS485設定為預設的接收模式，以方便隨時接收資料。

4. 按鍵中斷函數
   因為是通過按鍵來控制RS485主機傳送資料，這裡還需要編寫按鍵中斷函數。參考前面的按鍵中斷實驗，首先初始化按鍵引腳、設定中斷優先順序、使能中斷，便可在發生按鍵事件時，自動呼叫中斷回撥函數「HAL_GPIO_EXTI_Callback()」，在中斷回撥函數裡，修改按鍵標誌，以便隨時查詢是否該按鍵按下，按鍵中斷回撥函數如程式碼段 18.3.7 所示。

程式碼段 18.3.7 按鍵中斷回撥函數（driver_key.c）

/*
* 函數名：void HAL_GPIO_EXTI_Callback(void)
* 輸入引數：無
* 輸出引數：無
* 返回值：無
* 函數作用：外部中斷處理常式的回撥函數，用以處理不同引腳觸發的中斷服務最終函數
*/
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
if(GPIO_Pin == KEY_UP_GPIO_PIN) {
step = 0; }

5. 主函數控制邏輯
   RS485主機和RS485從機，通常是兩套獨立程式碼工程。但本實驗中，除了主函數，其它的驅動程式碼都一樣，因此將兩個套程式碼公共部分共用，讀者通過如圖 18.3.1 所示下拉選擇對應工程，即可切換RS485主機工程和RS485從機工程。
   
   在RS485主機的主函數如程式碼段 18.3.8 所示。
   程式碼段 18.3.8 RS485 主機主函數（master_main.c）

// 初始化 USART1，設定波特率為 115200 bps
DEBUG_USART_Init(115200);
// 初始化 USART2，設定波特率為 9600 bps
RS485_Init(9600);
// 初始化按鍵
KeyInit();
// 在 windows 下字串\n\r 表示回車
// 如果工程在編譯下面這句中文的時候報錯，請在「Option for target」->"C/C++"->"Misc Controls"新增「 --locale=english」
printf("百問科技 www.100ask.net\n\r");
printf("RS485 收發實驗\n\r");
printf("當前裝置：主機\n\r");
printf("\n\r");
// 初始化 RS485 CAN 的傳送資訊
RS485_Msg.ID = 0x305;
RS485_Msg.length = 8;
for(i=0; i<8; i++) {
RS485_Msg.tx_data[i] = i;
}
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length);
while(1) {
if(step == 0) // KEY1 按下
{
RS485_Tx((uint8_t*)&RS485_Msg.tx_data[0], RS485_Msg.length);
printf("主機 ----> 從機 資料：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
printf("0x%x ", RS485_Msg.tx_data[i]); }
printf("\n\r");
step = 0xFF; }
if(usart2_rx_finish == 0x01) {
usart2_rx_finish = 0;
printf("主機 <---- 從機 資料：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
printf("0x%x ", RS485_Msg.rx_data[i]); }
printf("\n\r");
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length); } }

• 1~8行：初始化偵錯串列埠、RS485和按鍵；
• 17~23行：建立要傳送的資料，RS485_Msg為自己建立的資料結構，包含ID、資料長度、資料內容，其中ID可用於裝置識別，整個資料資料結構，可方便資料傳輸；
• 25行：先接收資料，將裝置設定為預設的接收模式；
• 29~40行：如果按鍵按下，則按鍵標誌step變為0，此時呼叫「RS485_Tx()」傳送資料；
• 42~53行：如果接到資料，則接收標誌usart2_rx_finish變為1，此時將接收資料列印處理，並再次呼叫「RS485_Rx()」接收資料；

在RS485從機的主函數如程式碼段 18.3.9 所示。
程式碼段 18.3.9 RS485 從機主函數（slave_main.c）

// 初始化 USART1，設定波特率為 115200 bps
DEBUG_USART_Init(115200);
// 初始化 USART2，設定波特率為 9600 bps
RS485_Init(9600);
// 初始化按鍵
KeyInit();
// 在 windows 下字串\n\r 表示回車
// 如果工程在編譯下面這句中文的時候報錯，請在「Option for target」->"C/C++"->"Misc Controls"新增「 --locale=english」
printf("百問科技 www.100ask.net\n\r");
printf("RS485 收發實驗\n\r");
printf("當前裝置：從機\n\r");
printf("\n\r");
// 初始化 RS485 CAN 的傳送資訊
RS485_Msg.ID = 0x305;
RS485_Msg.length = 8;
for(i=0; i<8; i++) {
RS485_Msg.tx_data[i] = i ^ 0xAB; }
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length);
while(1) {
if(usart2_rx_finish == 0x01) {
usart2_rx_finish = 0;
printf("從機 <---- 主機 資料：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
printf("0x%x ", RS485_Msg.rx_data[i]); }
printf("\n\r");
RS485_Tx((uint8_t*)&RS485_Msg.tx_data[0], RS485_Msg.length);
printf("從機 ----> 主機 資料：\n\r");
for(i=0; i<8; i++) {
printf("0x%x ", RS485_Msg.tx_data[i]); }
printf("\n\r");
RS485_Rx((uint8_t*)&RS485_Msg.rx_data[0], RS485_Msg.length); } }

• 1~8行：初始化偵錯串列埠、RS485和按鍵；
• 17~23行：建立要傳送的資料；
• 25行：先接收資料，將裝置設定為預設的接收模式；
• 29~49行：如果接收到資料，先列印接收的資料，然後呼叫「RS485_Tx()」傳送資料，最後再呼叫「RS485_Rx()」接收資料；

18.4實驗效果

本實驗對應配套資料的「5_程式原始碼\ 10_通訊—RS485\」。準備兩個開發板，連線好下載器。在Keil中，分別切換到RS485主機工程和RS485從機工程，編譯，分別給兩個開發板下載RS485主機程式和RS485從機程式。

將兩個開發板的J11（藍色撥碼開關）的1腳撥為ON，使用配套的插拔式接線端子將兩個板子的RS485介面連線，注意RS485不需要交叉，即兩個開發板RS485的A對A，B對B，最後連線好兩個開發板串列埠和電源，如圖 18.4.1 所示。

啟動電源後，串列埠會有列印當前裝置是主機還是從機。按下主機的KEY1_U，主機將資料傳送給從機，從機接收到資料後，傳送新資料給主機，如圖 18.4.2 所示。

【總結】
偵錯串列埠、RS232、RS485本質都是一樣的，不同的部分由轉換晶片實現，使用者幾乎不用關心轉換實現。因此，使用者只需要控制串列埠收發資料即可。

串列埠的程式設計，可分為三步：

1. 初始化串列埠，包含串列埠協定的設定和硬體的初始化（引腳、中斷等）；
2. 使用對應模式（超時管理模式、中斷模式、DMA模式）的串列埠收發函數，進行收發資料；
3. 主函數控制收發邏輯；

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