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RS485串口编程
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1.1 单工、半双工、全双工
首先，我使用的是芯片为 SP3485E 为半双工通信。那么先要明确什么是单工、半双工、全双工。 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输； 半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。 网卡的全双工（Full Duplex）是指网卡在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。
提到全双工，就不能不提与之密切对应的另一个概念，那就是“半双工（Half Duplex）”，所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生，举个简单例子，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过， 当目前有两量车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头儿后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品。随着技术的不断进步，半双工会逐渐退出历史舞台。 1.2 关于RS485通信 RS232 标准是诞生于 RS485 之前的，但是 RS232 有几处不足的地方： 接口的信号电平值较高，达到十几 V，使用不当容易损坏接口芯片，电平标准也与TTL 电平不兼容。传输速率有局限，不可以过高，一般到一两百千比特每秒(Kb/s)就到极限了。 接口使用信号线和 GND 与其它设备形成共地模式的通信，这种共地模式传输容易产生干扰，并且抗干扰性能也比较弱。传输距离有限，最多只能通信几十米。 通信的时候只能两点之间进行通信，不能够实现多机联网通信。 针对 RS232 接口的不足，就不断出现了一些新的接口标准，RS485 就是其中之一，它具备以下的特点：采用差分信号。我们在讲 A/D 的时候，讲过差分信号输入的概念，同时也介绍了差分输入的好处，最大的优势是可以抑制共模干扰。 尤其当工业现场环境比较复杂，干扰比较多时，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用两根通信线，通常用 A 和 B 或者 D+和 D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V 表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V 来表示，是一种典型的差分通信。 RS485 通信速率快，最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。 RS485 内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力也大大增加。传输距离最远可以达到 1200 米左右，但是它的传输速率和传输距离是成反比的，只有在 100Kb/s 以下的传输速度，才能达到最大的通信距离，如果需要传输更远距离可以使用中继。 可以在总线上进行联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器，从现有的 RS485芯片来看，有可以挂 32、64、128、256 等不同个设备的驱动器。 RS485 的接口非常简单，与 RS232 所使用的 MAX232 是类似的，只需要一个 RS485转换器，就可以直接与单片机的 UART 串口连接起来，并且使用完全相同的异步串行通信协议。 但是由于 RS485 是差分通信，因此接收数据和发送数据是不能同时进行的，也就是说它是一种半双工通信。RS485为差分通信：最大的优势是可以抑制共模干扰。
1.3 关于sp3485硬件分析
上图为SP3485原理图 （1）引脚说明：Pin1 - RO： 接收器输出 Pin2 - RE#：接收器输出使能 （低电平有效） Pin3 - DE： 驱动器输出使能 （高电平有效） Pin4 - DI： 驱动器输入 Pin5 - GND： 连接地 Pin6 - A： 驱动器输出/接收器输入 （同相） Pin7 - B： 驱动器输出/接收器输入 （反相） Pin8 - Vcc 注意将AB间120欧姆去掉，如果采用阻抗匹配的电缆，300米以内几乎可以不用加终端电阻。加终端电阻的缺点就是增大了线路的无用功耗，尤其是电池系统供电时，降低了电池的续航能力。 PS: 我一开始没有将它去掉，导致只能发送数据，无法接收数据。 （2）电气特性RS-232电平的电气特性 EIA电平（串口） 逻辑1：-3V~-15V 逻辑0：+3V~+15V
TTL电平（TPAD） 逻辑1：+2V~+5V 逻辑0：+0V~+0.8V
接收数据：EIA->TTL 232转TTL 发送数据：TTL->EIA TTL转232
串口异步通信的重要参数： 波特率: bps (bit per second) 数据位的个数： 5 6 7 8 校验方式： 奇校验 偶校验 无校验 停止位： 1bit 2bit
RS485电平 和RS422电平 由于两者均采用 差分传输（平衡传输）的方式，所以他们的电平方式，一般有两个引脚 A,B 发送端 AB间的电压差 ＋2 ～ ＋6v 1 －2 ～ －6v 0 接收端 AB间的电压差 大于 ＋200mv 1 小于 －200mv 0
定义逻辑1为B>A的状态 定义逻辑0为A>B的状态 AB之间的电压差不小于200mv
一对一的接头的情况下： RS232 可做到双向传输，全双工通讯 最高传输速率 20kbps 422 只能做到单向传输，半双工通讯，最高传输速率10Mbps 485 双向传输，半双工通讯, 最高传输速率10Mbps （3）串行数据的格式 异步串行数据的一般格式是：起始位+数据位+停止位，(8-N-1格式) 其中起始位1 位，数据位可以是5、6、7、8位，停止位可以是1、1.5、2位。
起始位是一个值为0的位，所以对于正逻辑的TTL电平，起始位是一位时间的低电平；停止位是值为1的位，所以对于正逻辑的TTL电平，停止位是高电平。线路路空闲或者数据传输结束，对于正逻辑的TTL电平，线路总是1。对于负逻辑(如RS-232电平)则相反。 例如，对于16进制数据55aaH，当采用8位数据位、1位停止位传输时，它在信号线上的波形如图1(TTL电平)和图2(RS-232电平)所示。 （先传第一个字节55，再传第二个字节aa，每个字节都是从低位向高位逐位传输）
图2 RS-232电平的串行数据帧格式(55aah) （4）根据波形图计算波特率 如图3是图1在示波器中的显示示意，其中灰色线是示波器的时间分度线，此时假设是200us/格。
可以看了，第一个字节的10位(1位起始位，8位数据位和1位停止位)共占约1.05ms，这样可计算出其波特率约为： 10bit / 1.05ms X 1000 ≈ 9600 bit/s 如果上图中的时间轴是100us/格，同样可以计算出波特率应是19200bit/s。 当通讯不正常，又能观察到波形时，就可根据上述方法，从波形图计算一下波特率是否正确。 （5）根据波形图判断RS-485收发数据的正确与否 RS-485是一种半双工的串行通讯方式（RS-422为全双工），485电平芯片所以要正确接收和发送数据，必需保证控制信号和数据的同步，否则要么发送数据丢失，要么接收数据可能丢失。
RS-485发送数据时的正确时序如图4所示。
在图4中，发送控制信号的宽度基本与数据信号的宽度一致，所以能保证发送数据的正确和发送后及时转为接收。 图5 和图6 分别是控制信号太短和控制信号太长的情况。 图5 RS-485控制信号太短时的时序
图6 RS-485控制信号太短时的时序 在图5中，由于控制信号关闭过早，则第二个字节的后两位将发送错误；在图6中，由于控制信号关闭过迟，使485芯片在发送数据后，不能及时转到接收状态，此时总线若有数据过来，则本单元将不能正确接收。 总结：只要掌握上述波形分析方法，任何异步串行数据的接收和发送问题，基本都可以得到解决。 二、串口通信 2.1 串口的操作一般都通过四个步骤来完成：1、打开串口 2、配置串口：对串口的波特率、数据位、停止位、校验码、等进行设置。 3、读写串口 4、关闭串口 2.2 完整代码： #include //文件控制定义 #include //标准输入输出定义 #include //标准函数库定义 #include //Unix标准函数定义 #include //错误好定义 #include //POSIX终端控制定义 #include //ioctl函数定义 #include //字符操作 #include #include #include #include //时间戳 long long getSystemTime() { struct timeb t; ftime(&t); return 1000 * t.time + t.millitm; } long long start; long long end; //定义互斥量 pthread_mutex_t mutex; int fd_gpio; struct termios newtio, oldtio; typedef struct { int pin_idx; int pin_dir; int pin_sta; } davinci_gio_arg; typedef enum { AT91PIO_DIR_OUT = 0, AT91PIO_DIR_INP } davinci_gio_dir; //驱动判断输入输出模式 davinci_gio_arg arg; #define DEV_PIO_LED "/dev/pio" // 需要手动添加设备号 mknod /dev/pio c 203 0 #define PIO_NUM 47 // 47pin 为控制输入输出方向引脚 #define DEV_UART "/dev/ttyS1" // /dev/ttyS1 为串口设备 #define IOCTL_PIO_SETDIR 1 //set gpio direct #define IOCTL_PIO_GETDIR 2 //get gpio direct #define IOCTL_PIO_SETSTA 3 //set gpio status #define IOCTL_PIO_GETSTA 4 //get gpio status //保存信息 int log_init( const char *strFileName ) { int fdLog = -1; if( -1 == (fdLog = open( strFileName, O_CREAT|O_TRUNC ) ) ) { } close( fdLog ); } int log_out( const char *strFileName, const char * szLog ) { int fdLog = -1; if( -1 == ( fdLog = open( strFileName, O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND ) ) ) { printf( "LOG (%s) open error!\n", strFileName ); return -1; } write( fdLog, szLog, strlen( szLog ) ); close( fdLog ); return 0; } //配置串口 /* 参数说明：fd 设备文件描述符，nspeed 波特率，nbits 数据位数（7位或8位）， parity 奇偶校验位（'n'或'N'为无校验位，'o'或'O'为偶校验，'e'或'E'奇校验）， nstop 停止位（1位或2位） 成功返回1，失败返回-1。 */ int set_com_opt( int fd, int nspeed, int nbits, char parity, int nstop ) { char szTmp[128]; //打印配置信息 sprintf( szTmp, "set_com_opt - speed:%d,bits:%d,parity:%c,stop:%d\n", nspeed, nbits, parity, nstop ); log_out( "./485.log", szTmp ); //保存并测试现在有串口参数设置，在这里如果串口号等出错，会有相关的出错信息 if( tcgetattr( fd, &oldtio ) != 0 ) { sprintf( szTmp, "SetupSerial 1" ); log_out( "./485.log", szTmp ); perror( "SetupSerial 1" ); return -1; } //修改输出模式，原始数据输出 bzero( &newtio, sizeof( newtio )); newtio.c_cflag &=~(OPOST); //屏蔽其他标志位 newtio.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD ); newtio.c_cflag &= ~CSIZE; //设置数据位 switch( nbits ) { case 7: newtio.c_cflag |= CS7; break; case 8: newtio.c_cflag |= CS8; break; default: perror("Unsupported date bit!\n"); return -1; } //设置校验位 switch( parity ) { case 'n': case 'N': //无奇偶校验位 newtio.c_cflag &= ~PARENB; newtio.c_iflag &= ~INPCK; break; case 'o': case 'O': //设置为奇校验 newtio.c_cflag |= ( PARODD | PARENB ); newtio.c_iflag |= ( INPCK | ISTRIP ); break; case 'e': case 'E': //设置为偶校验 newtio.c_iflag |= ( INPCK |ISTRIP ); newtio.c_cflag |= PARENB; newtio.c_cflag &= ~PARODD; break; default: perror("unsupported parity\n"); return -1; } //设置停止位 switch( nstop ) { case 1: newtio.c_cflag &= ~CSTOPB; break; case 2: newtio.c_cflag |= CSTOPB; break; default : perror("Unsupported stop bit\n"); return -1; } //设置波特率 switch( nspeed ) { case 2400: cfsetispeed( &newtio, B2400 ); cfsetospeed( &newtio, B2400 ); break; case 4800: cfsetispeed( &newtio, B4800 ); cfsetospeed( &newtio, B4800 ); break; case 9600: cfsetispeed( &newtio, B9600 ); cfsetospeed( &newtio, B9600 ); break; case 115200: cfsetispeed( &newtio, B115200 ); cfsetospeed( &newtio, B115200 ); break; case 460800: cfsetispeed( &newtio, B460800 ); cfsetospeed( &newtio, B460800 ); break; default: cfsetispeed( &newtio, B9600 ); cfsetospeed( &newtio, B9600 ); break; } //设置等待时间和最小接收字符 newtio.c_cc[VTIME] = 0; newtio.c_cc[VMIN] = 0; //VTIME=0，VMIN=0，不管能否读取到数据，read都会立即返回。 //输入模式 newtio.c_lflag &= ~(ICANON|ECHO|ECHOE|ISIG); //设置数据流控制 newtio.c_iflag &= ~(IXON|IXOFF|IXANY); //使用软件流控制 //如果发生数据溢出，接收数据，但是不再读取 刷新收到的数据但是不读 tcflush( fd, TCIFLUSH ); //激活配置 (将修改后的termios数据设置到串口中） if( tcsetattr( fd, TCSANOW, &newtio ) != 0 ) { sprintf( szTmp, "serial set error!\n" ); log_out( "./485.log", szTmp ); perror( "serial set error!" ); return -1; } log_out( "./485.log", "serial set ok!\n" ); return 1; } //打开串口并返回串口设备文件描述 int open_com_dev( char *dev_name ) { int fd; char szTmp[128]; log_init( "./485.log" ); if(( fd = open( dev_name, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY)) == -1 ) { perror("open\n"); //printf("Can't open Serial %s Port!\n", dev_name ); sprintf( szTmp, "Can't open Serial %s Port!\n", dev_name ); log_out( "./485.log", szTmp ); return -1; } sprintf( szTmp, "open %s ok!\n", dev_name ); log_out( "./485.log", szTmp ); if(fcntl(fd,F_SETFL,0) 0) { //打印接收数据 for (i = 0; i < nread; i++) { printf ("%02X ", buf[i]); } //退出循环， 这里有点疑问 res1 += nread; if (res1 == 18) { memset (buf, 0, sizeof (buf)); printf ("\n"); break; } } } close (fd_r); pthread_mutex_unlock (&mutex); end=getSystemTime(); printf("time: %lld ms\n", end-start); usleep (200000); } } int main (void) { int error = 0, error1 = 0; arg.pin_idx = PIO_NUM; arg.pin_dir = AT91PIO_DIR_OUT; //打开/dev/pio设备 fd_gpio = open(DEV_PIO_LED, O_RDWR); if(fd_gpio < 0) { perror("fd_gpio open err"); exit (-1); } //初始化互斥量 pthread_mutex_init (&mutex, 0); pthread_t tid, tid1; //创建线程 error = pthread_create (&tid, NULL, task, NULL); error1 = pthread_create (&tid1, NULL, task1, NULL); //等待线程结束 pthread_join (tid, NULL); pthread_join (tid1, NULL); //销毁互斥量 pthread_mutex_destroy(&mutex); //关闭设备 close (fd_gpio); return 0; }
执行结果： 虽然以上代码只有三百多行，但是其包含的内容确是很多的，下面就一一的来总结。 一般招聘信息上 都会有这样一项要求。了解Modbus基于RS485,RS232,以太网等总线的通讯协议，熟练操作Modbus相关软件。 上面我们对RS485，RS232硬件做了分析，接下来我们看一下软件上面该如何处理。 主要分为下面部分来讲： （1）串口编程详解参看：Linux串口编程详解 参看：Linux下的串口编程(二） 参看：Linux 串口编程 前面已经提到过Linux下皆为文件，这当然也包括我们今天的主角 UART0 串口。因此对他的一切操作都和文件的操作一样（涉及到了open,read,write,close等文件的基本操作）。 （一）Linux下的串口编程又那几部分组成
1. 打开串口 2. 串口初始化 3. 读串口或写串口 4. 关闭串口 （二）串口的打开既然串口在linux中被看作了文件，那么在对文件进行操作前先要对其进行打开操作。 1.在Linxu中，串口设备是通过串口终端设备文件来访问的 即通过访问/dev/ttyS0,/dev/ttyS1,/dev/ttyS2这些设备文件实现对串口的访问。 ============================== 这里有个问题： 你怎么知道访问的是哪个串口？ 可以进行一下测试，echo hello > /dev/ttyS0 看看是否有hello输出。 如果串口使用不对，会出现错误: setup serial:bad file descriptor set parity Error ============================== 2.调用open()函数来代开串口设备，对于串口的打开操作，必须使用O_NOCTTY参数。 l O_NOCTTY:表示打开的是一个终端设备，程序不会成为该端口的控制终端。如果不使用此标志，任务一个输入(eg:键盘中止信号等)都将影响进程。 l O_NDELAY:表示不关心DCD信号线所处的状态（端口的另一端是否激活或者停止）。不说明这个标志的话，该程序就会在DCD信号线为低电平时停止。 3.打开串口模块有那及部分组成 1> 调用open()函数打开串口，获取串口设备文件描述符 2> 获取串口状态，判断是否阻塞 3> 测试打开的文件描述符是否为终端设备
4程序: /****************************************************************** 名称： UART0_Open * 功能： 打开串口并返回串口设备文件描述 * 入口参数： fd :文件描述符 port :串口号(ttyS0,ttyS1,ttyS2) * 出口参数： 正确返回为1，错误返回为0 *****************************************************************/ int UART0_Open(int fd,char* port) { fd = open( port, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY); if (FALSE == fd) { perror("Can't Open Serial Port"); return(FASLE); } //判断串口的状态是否为阻塞状态 if(fcntl(fd, F_SETFL, 0) < 0) { printf("fcntl failed!/n"); return(FALSE); } else { printf("fcntl=%d/n",fcntl(fd, F_SETFL,0)); } //测试是否为终端设备 if(0 == isatty(STDIN_FILENO)) { printf("standard input is not a terminal device/n"); return(FALSE); } else { printf("isatty success!/n"); } printf("fd->open=%d/n",fd); return fd; } |
图1 TTL电平的串行数据帧格式(55aah)
图3 波特率计算示意图
图4 RS-485的正确发送数据时序
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