第三十五章 RS485实验
本章我们将向大家介绍如何使用ESP32-P4的串口实现485通信（半双工）。在本章中，我们将使用ESP32-P4的串口1来实现两块开发板之间的485通信，并将结果显示在LCD屏上。
本章分为如下几个小节：
35.1 485介绍
35.2 硬件设计
35.3 程序设计
35.4 下载验证
35.1 485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120Ω）。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35.1.1所示：
图35.1.1 RS485连接
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。
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。
ESP32-P4开发板采用TPT3485作为收发器，该芯片支持3.3V供电，最大传输速度可达10Mbps，支持多达32个节点，并且支持输出短路保护。该芯片的框图如图35.1.2所示：
图35.1.2 TPT3485框图
图中A、B总线接口，用于连接485总线。RO是接收输出端，DI是发送数据收入端，RE是接收使能信号（低电平有效），DE是发送使能信号（高电平有效）
35.2 硬件设计
35.2.1 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1，就可以实现正常的485通信了，串口1的配置和串口0是一样的。
本章将实现这样的功能：通过连接两个ESP32-P4的RS485接口，然后由BOOT控制发送，当按下一个开发板的BOOT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。
35.2.2 硬件资源
1）LED灯
LED 0 - IO51
2）RGBLCD / MIPILCD（引脚太多，不罗列出来）
3）RS485电路
RS485_TX - IO27(U1RXD)（跳线帽连接）
RS485_RX - IO26(U1TXD)（跳线帽连接）
RS485_RE – IO0_4（X L9555）
35.2.3 原理图
RS485电路相关原理图，如下图所示。
图35.2.3.1 RS485电路原理图
从上图可以看出：开发板的串口1和TPT8485上的引脚连接到P5端上的端子，但不直接相连。注意：RS485_RE信号是连接在XL9555的IO0_4引脚上，并没有直接连接到MCU，需要通过IIC总线控制XL9555，从而实现对RS485_RE的控制。RS485_RE控制TPT8485的收发，当RS485_RE=0的时候，为接收模式；当RS485_RE=1的时候，为发送模式。
图中的R11和R14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，接反了会导致通讯异常！！。
35.3 程序设计
35.3.1 RS485的IDF驱动
由于485实际上是串口通讯，我们参照串口实验使用类似的IDF驱动即可。
35.3.2 程序流程图
图35.3.1.1 RS485实验程序流程图
35.3.3 程序解析
在26_rs485例程中，作者在26_rs485 \components\BSP路径下新增了1个文件夹RS485，并且需要更改CMakeLists.txt内容，以便在其他文件上调用。
1. RS485驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。RS485驱动源码包括两个文件：rs485.c和rs485.h。
下面先解析rs485.h的程序。对RS485相关引脚和串口编号做了相关宏定义。
/* RS485通信引脚 和 串口定义 */ #define RS485_UART_PORT UART_NUM_1 #define RS485_TX_GPIO_PIN GPIO_NUM_26 #define RS485_RX_GPIO_PIN GPIO_NUM_27 /* 定义RS485接收大小及接收使能配置 */ #define RS485_REC_LEN 1024 /* 定义最大接收字节数1024 */
RS485用到的是串口1，而串口1的发送引脚用到的是IO26，串口1的接收引脚用到的是IO27。
下面我们再解析rs485.c的程序，首先先来看一下初始化函数rs485_init，代码如下：
/**
* @brief RS485初始化
* @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 ESP_OK:表示初始化成功
*/
esp_err_t rs485_init(uint32_t baudrate)
{
uart_config_t rs485_config = {0};
rs485_config.baud_rate = baudrate; /* 设置波特率 */
rs485_config.data_bits = UART_DATA_8_BITS; /* 数据位 */
rs485_config.parity = UART_PARITY_DISABLE; /* 无奇偶校验位 */
rs485_config.stop_bits = UART_STOP_BITS_1; /* 一位停止位 */
rs485_config.flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE; /* 无硬件流控 */
rs485_config.source_clk = UART_SCLK_DEFAULT; /* 选择时钟源 */
/* RS485的UART配置 */
ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(RS485_UART_PORT, &rs485_config));
/* 设置管脚 */
ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(RS485_UART_PORT, RS485_TX_GPIO_PIN,
RS485_RX_GPIO_PIN, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE));
/* 安装串口驱动 */
ESP_ERROR_CHECK(uart_driver_install(RS485_UART_PORT, RS485_REC_LEN,
RS485_REC_LEN, 0, NULL, 0));
/* 设置超时时间 3.5T * 8 = 28 ticks, TOUT=3 -> ~24..33 ticks */
ESP_ERROR_CHECK(uart_set_rx_timeout(RS485_UART_PORT, 3));
rs485_tx_set(0); /* 进入接收模式 */
return ESP_OK;
}
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而已。
切换发送和接收状态，定义了rs485_tx_set函数，代码如下。
/**
* @brief RS485模式控制.
* @param en:0,接收;1,发送
* @retval 无
*/
void rs485_tx_set(uint8_t en)
{
xl9555_pin_write(RS485_RE_IO, en);
}
若想485电路进入到接收状态，调用rs485_tx_set(0)即可；若想485电路进入到发送状态，调用rs485_tx_set(1)即可。
继续看一下RS485发送函数，代码如下：
/**
* @brief RS485发送len个字节
* @param buf:发送区首地址
* @param len:发送字节数(为了和本代码的接收匹配,这里建议不要超过RS485_REC_LEN字节)
* @retval ESP_OK:表示发送成功
*/
esp_err_t rs485_send_data(uint8_t *buf, uint8_t len)
{
rs485_tx_set(1); /* 进入发送模式 */
uart_write_bytes(RS485_UART_PORT, buf, len);
ESP_ERROR_CHECK(uart_wait_tx_done(RS485_UART_PORT, 10));
rs485_tx_set(0); /* 退出发送模式 */
return ESP_OK;
}
发送函数用于输出485信号到485总线上，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，这样子可以保证操作过程中485的数据丢失最小。
最后看一下RS485接收函数，代码如下：
/**
* @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; 其他, 表示接收到的数据长度
* @retval ESP_OK:表示接收成功
*/
esp_err_t rs485_receive_data(uint8_t *buf, uint8_t *len)
{
*len = 0;
ESP_ERROR_CHECK(uart_get_buffered_data_len(RS485_UART_PORT, (size_t*)len));
if (*len > 0)
{
uart_read_bytes(RS485_UART_PORT, buf, *len, 100);
}
return ESP_OK;
}
该函数用于查询485总线上接收到的数据，主要调用uart_get_buffered_data_len函数去获取缓冲区数据长度，然后再通过uart_read_bytes函数去获取缓冲区数据。
2. CMakeLists.txt文件
本例程的功能实现主要依靠RTC驱动。要在main函数中，成功调用RTC文件中的内容，就得需要修改BSP文件夹下的CMakeLists.txt文件，修改如下：
set(src_dirs
LED
KEY
LCD
XL9555
RS485)
set(include_dirs
LED
KEY
LCD
XL9555
RS485)
set(requires
driver
esp_lcd
esp_common
newlib)
idf_component_register( SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
3. main.c驱动代码
在main.c里面编写如下代码。
void app_main(void)
{
esp_err_t ret;
uint8_t key;
uint8_t i = 0, t = 0;
uint8_t cnt = 0;
uint8_t rs485buf[5];
ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
if(ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
{
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
led_init(); /* LED初始化 */
key_init(); /* KEY初始化 */
myiic_init(); /* MYIIC初始化 */
xl9555_init(); /* XL9555初始化 */
lcd_init(); /* LCD屏初始化 */
rs485_init(9600); /* 初始化RS485 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32-P4", 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, "BOOT:Send", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Count:", RED);
lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "Send Data:", RED);
lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "Receive Data:", RED);
while (1)
{
key = key_scan(0);
if (key == BOOT_PRES) /* BOOT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);
}
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; /* 最多是5个数据 */
}
for (i = 0; i < key; i++)
{
lcd_show_xnum(30 + i * 32, 210, rs485buf[i], 3, 16, 0X80, BLUE);
}
}
t++;
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
if (t == 20)
{
LED0_TOGGLE();
t = 0;
cnt++;
lcd_show_xnum(30 + 48, 130, cnt, 3, 16, 0X80, BLUE);
}
}
}
在app_main函数中，通过rs485_init函数对RS485进行初始化，在while循环中，会检测BOOT按键是否被按下进而决定是否向485总线发送数据，同时一直会查询485总线上是否有数据接收到，若有接收到便通过LCD进行显示。LED0闪烁，以提示程序正在运行。
35.4 下载验证
将程序下载到开发板后（注意两个开发板都要下载这个代码），可以看到LED0不停闪烁，提示程序已经在运行了，可看到LCD显示的内容如图35.4.1所示：
图35.4.1 RS485实验程序运行效果图
我们按下BOOT按键便可以在另外一个开发板上收到这个开发板发送的数据了。如图35.4.2和图35.4.3所示。
图35.4.2 发送RS485数据的开发板页面
图35.4.3 接收RS485数据的开发板页面
图35.4.2来自开发板A，发送了5个数据，图35.4.3来自开发板B，接收到了来自开发板A的5个数据。