【Seeed开发板试用体验】应用篇（6）RS485通信

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一、RS485基础

1 RS485

    电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布RS-485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯地称之为RS-485标准。RS-485标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。 
RS-485标准数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

    通常情况下，发送发送器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2～-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS-485器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。 

    对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B对应相连。当在接收端A-B之间有大于+200mV的电平时，输出为正逻辑电平；小于-200mV时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200mV至6V之间。参见图所示。定义逻辑1（正逻辑电平）为B＞A的状态，逻辑0（负逻辑电平）为A＞B的状态，A、B之间的压差不小于200mV。 

    RS-485标准的最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mbps。通常，RS-485网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在20kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。注意：并不是所有的RS-485收发器都能够支持高达10Mbps的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。

    RS-485网络采用直线拓朴结构，需要安装2个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般取值为120Ω）。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻，即一般在300米以下、19200bps不需终端匹配电阻。终端匹配电阻安装在RS-485传输网络的两个端点，并联连接在A-B引脚之间。  

    RS-485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS-485电路具有控制方便、成本低廉等优点。 在过去的20年时间里，建议性标准RS-485作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网络中，RS-485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是基于在RS-485总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。

2 RS232、RS422和RS485

（1）RS232与RS485

    前文简单描述过RS232，它的全称是RS-232-C，是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 

    RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 

    即它们间的区别
1）从接线上，RS232是三线制，RS485是两线制；
2）从传输距离上，RS232只能传输15米，RS485最远可以传输1200米；
3）从速率上，RS232是全双工传输，RS485是半双工传输；
4）从协议层上，RS232只支持点对点通讯(1:1)，RS485支持总线形式通讯（1:N）；

（2）RS232RS422与RS485

    RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保 护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。 

    RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与*对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。

二、BBG上的RS485通信

1 RS485通信电路

    一般的RS485通信电路如下图所示，PC机或MCU上的串口，通过RS232转RS485电路，将RS232信号转为RS485信号，然后在电缆上进行数据的传递，图中的5代表地线，2、3代表RXD或TXD，即他们是交叉相连的。

    在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：（1）共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路*模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。（2）EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

2 RS232转RS485模块

1)使用MAX485芯片模块

    下面是最常用的TTL串口转RS485电路模块，该模块采用经典的MAX485芯片，使用电路也非常简单，基础上参照其芯片数据手册就可实现。但唯一的缺点是使用软件的方式进行流控，如下图所示的DE和RE引脚，而在Linux系统中，如果在应用层来控制这两个引脚，由于RS485总线对时序的要求，本人没有实现。可能在类似单片机MCU等非运行操作系统的环境下，有较大的应用。而在Linux系统中，需要重新实现相应的驱动。

2）使用RS485 CAN Cape

    下面是waveshare（微雪）公司推出的一款BBB Cape的应用，并提供源码，有兴趣的可以尝试。

3）使用自动流控芯片模块

    下面的模块，采用了最新的RS485转换芯片，它的优点在于其自带了自动流控功能，即硬件控制，这样在使用过程中，就如使用RS232串口一样来使用，无需关心流控的时序。 

3 软件实现

1 接收程序

/* rs485_recv.c */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BAUDRATE B19200
#define MODEMDEVICE "/dev/ttyO2"
#define _POSIX_SOURCE 1

int main()
{
    int fd, c=0, res;
    struct termios oldtio, newtio;
    char buf[256];

    printf("Start...n");
    fd = open(MODEMDEVICE, O_RDWR|O_NOCTTY);
    if (fd < 0) {
      perror(MODEMDEVICE);
      exit(1);
    }

    printf("Open...n");
    tcgetattr(fd, &oldtio);
    bzero(&newtio, sizeof(newtio));

    newtio.c_cflag = BAUDRATE|CS8|CLOCAL|CREAD;
    newtio.c_iflag = IGNPAR;
    newtio.c_oflag = 0;
    newtio.c_lflag = ICANON;

    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio);
    printf("Reading...n");
    while(1) {
        res = read(fd, buf, 255);
        buf[res]=0;
        printf("res=%d buf=%sn", res, buf);
        if (buf[0] == \'@\') break;
    }
    
    printf("Close...n");
    close(fd);
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &oldtio);
    return 0;
}

2 发送程序

/* rs485_send.c */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BAUDRATE B19200
#define MODEMDEVICE "/dev/ttyO2"
#define _POSIX_SOURCE 1
#define STOP \'@\'

int main()
{
    int fd, c=0, res;
    struct termios oldtio, newtio;
    char ch;
    static char s1[20];

    printf("Start...n");
    fd = open(MODEMDEVICE, O_RDWR|O_NOCTTY);
    if (fd < 0) {
      perror(MODEMDEVICE);
      exit(1);
    }

    printf("Open...n");
    tcgetattr(fd, &oldtio);
    bzero(&newtio, sizeof(newtio));

    newtio.c_cflag = BAUDRATE|CS8|CLOCAL|CREAD;
    newtio.c_iflag = IGNPAR;
    newtio.c_oflag = 0;
    newtio.c_lflag = ICANON;

    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio);

    printf("Writing...n");

    while(1) {
      while((ch=getchar()) != STOP) {
        s1[0]=ch;
        res=write(fd, s1, 1); 
      }
      s1[0]=ch;
      s1[1]=\'n\';
      res = write(fd, s1, 2); 
      break;
    }
    printf("Close...n");
    close(fd);
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &oldtio);
    return 0;
}

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