第十四章 RS485通信

1. 導入

在第十五章中，我們學習了UART串口通信，實現了單片機與PC之間的點對點通信。然而，在工業控制、遠距離傳輸、多設備組網等場景中，UART的通信距離短（<15米）、抗干擾能力弱、僅支持點對點通信，已無法滿足需求。

本章將介紹RS485通信，它是一種差分信號傳輸的串行通信標準，具有抗干擾能力強、通信距離遠（可達1200米）、支持多機通信（總線結構） 等優點，廣泛應用於工業自動化、樓宇控制、傳感器網絡等領域。

本章目標：

• 理解RS485的電氣特性與通信原理；
• 掌握51單片機通過MAX485芯片實現RS485通信；
• 實現單片機向PC發送數據（主機查詢）；
• 實現多機通信基礎（地址識別）；
• 為後續構建工業控制系統打下基礎。

2. 硬件設計

2.1 RS485特點

2.2 MAX485芯片介紹

MAX485是最常用的RS485收發器芯片，DIP-8封裝，主要引腳：

半雙工控制：DE 和 RE 通常接在一起，由單片機控制發送/接收狀態。

2.3 電路連接

單片機與MAX485連接：

總線連接（兩節點示例）：

• 所有設備的A腳連在一起 → 接終端A；
• 所有設備的B腳連在一起 → 接終端B；
• 兩端加120Ω終端電阻（抑制信號反射）；
• 使用雙絞線（如網線）傳輸。

注意：RS485是總線型網絡，所有設備並聯在A、B線上。

3. 軟件設計

3.1 通信方式

RS485本身是物理層標準，無固定協議。常用協議有：

• Modbus RTU（最常用）
• 自定義幀格式

本章先實現基本數據收發，後續可擴展為Modbus。

3.2 發送控制邏輯

由於是半雙工，發送時必須拉高 DE，接收時拉低 DE 和 RE。

#include <reg52.h>

sbit RS485_DE = P2^0;  // 控制DE/RE引腳

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

// 串口初始化（同UART）
void uart_init() {
    TMOD = 0x20;        // T1方式2
    TH1  = 0xFD;        // 9600bps
    TL1  = 0xFD;
    TR1  = 1;
    SCON = 0x50;        // 方式1，允許接收
    EA   = 1;
    ES   = 1;
}

3.3 發送一個字節

void rs485_send_byte(unsigned char dat) {
    RS485_DE = 1;       // 進入發送模式
    delay_ms(1);        // 穩定時間

    SBUF = dat;
    while(TI == 0);
    TI = 0;

    RS485_DE = 0;       // 切回接收模式
}

3.4 發送字符串

void rs485_send_string(unsigned char *str) {
    while(*str) {
        rs485_send_byte(*str++);
    }
}

3.5 接收中斷服務函數

unsigned char rx_buf[32];
unsigned char rx_index = 0;

void uart_isr() interrupt 4 {
    if (RI) {
        RI = 0;
        rx_buf[rx_index++] = SBUF;

        // 簡單幀結束判斷：收到'\n'或滿32字節
        if (rx_buf[rx_index-1] == '\n' || rx_index >= 32) {
            rx_buf[rx_index] = '\0';
            // 處理接收到的數據幀
            // 例如：解析指令、回傳數據等
            rx_index = 0;
        }
    }
    if (TI) {
        TI = 0;
    }
}

3.6 主程序示例（主機輪詢）

假設本機為從機，接收主機命令並響應：

void main() {
    uart_init();
    RS485_DE = 0;  // 初始為接收模式

    while(1) {
        // 主循環可處理其他任務
        // 如：採集傳感器數據、控制輸出等
    }
}

當主機發送命令如 READ_TEMP\n，從機解析後可回傳温度值。

3.7 多機通信（地址識別）

為實現多設備通信，可在數據幀中加入設備地址。

幀格式（示例）：

[ADDR][CMD][DATA][CRC]

從機程序中判斷地址是否匹配：

if (rx_buf[0] == LOCAL_ADDR) {
    // 處理命令
    rs485_send_string("ACK: Command received\r\n");
}

3.8 與PC通信（需RS485轉USB模塊）

• 使用 RS485轉USB模塊（如CH340+MAX485）；
• PC端安裝驅動，虛擬串口；
• 使用串口助手發送命令；
• 單片機接收並響應。

3.9 編譯與下載

• Keil中創建工程；
• 確保MAX485連接正確，DE/RE控制正常；
• 編譯生成HEX；
• 使用STC-ISP下載（下載時建議斷開DE/RE或A/B線，避免干擾）；
• 測試通信功能。

4. 小結

本章通過實現RS485通信，掌握了工業級串行通信技術，主要內容包括：

• 硬件連接：學會使用MAX485芯片實現差分信號傳輸；
• 總線結構：理解A/B線連接與終端電阻作用；
• 軟件控制：掌握半雙工發送/接收切換；
• 應用擴展：支持多機通信、遠程數據傳輸；
• 系統能力：為構建工業網絡、遠程監控系統奠定基礎。

4.1 常見問題與解決

4.2 下一步學習建議

• 學習 Modbus RTU協議，實現標準工業通信；
• 構建 多節點RS485網絡，實現主從結構；
• 結合 傳感器（如温度、濕度）實現數據採集系統；
• 使用 上位機軟件（如Modbus Poll）進行監控。

本章標誌着你已掌握遠距離、多設備通信能力，具備了開發工業級嵌入式系統的核心技能。至此，51單片機從基礎到高級外設的完整學習路徑已完成，可進入綜合項目實戰階段。