单片机RS485多机通讯技术

单片机在串行口发送数据时，只要 将８位数据位传送完毕，ＴＸＣ标志即建 立，但此时应发送的第九位数据位（若发 送地址帧时）和停止位尚未发出。如果在 这是关闭发送控制，势必造成发送帧数 据不完整。如果单片机多机通讯采用较 高的波特率，几条操作指令的延时就可 能超过２位（或１位）数据的发送时间，问 题或许不会出现。但是如果采用较低波 特率，如９６００，发送一位数据需１０４９ｓ 左右，单靠几条操作指令的延时远远不 够，问题就明显地暴露出来。接收数据 时也同样如此，单片机在接收完８个数据 位后就建立起ＲＸＣ信号，但此时还未接 收到第九位数据位（若接收地址帧时）和停
另外，在主从机软件上也应附加若 干处理措施，如：上电时或正式通讯之 前，对串行口做几次空操作，清除端ＩＺｌ 的非法数据和命令。
２）控制端ＲＥ＋，ＤＥ的信号的有效脉 宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。
在全双工通讯过程中，发送和接收 信号分别在不同的物理链路上传输，发 送端始终为发送端，接收端始终为接收 端，不存在发送、接收控制信号切换问 题。在Ｒ ｓ一４ ８ ５半双工通讯中，由于 ＭＡＸ４８５的发送和接收都由同一器件完 成，并且发送和接收使用同一物理链 路，必须对控制信号进行切换。控制信
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ＲＳ－４８５多机通讯技术
姜地海军航空工程学院２６４００１
摘要
本文介绍一种利用单片机本身所提供的串行
通讯口，采用自定义串行通信协议，加上总
线驱动器如ＭＡＸ４８５等组合成简单的Ｒｓ一４８５
通讯网络，完成单片机间的多机通讯。
总之，发送和接收控制信号应该足 够宽，以保证完整地接收一帧数据，任 意两个单机的发送控制信号在时间上完全 分开，避免总线争端。 ５．提高ＲＳ－４８５总线可靠性的几种 方法及常见故障处理
在ＭＣＵ之间中长距离通信的诸多方 案中，ＲＳ－４８５因硬件设计简单、控制方 便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动 化、工业控制、小区监控、水利自动报测 等领域。但ＲＳ－４８５总线在抗干扰、自适 应、通信效率等方面仍存在缺陷，一些细 节的处理不当常会导致通信失败甚至系统 瘫痪等故障，因此提高ＲＳ－４８５总线的运 行可靠性至关重要。
常用的ＲＳ一４ ８ ５总线驱动芯片有 ＭＡＸ４８ ５、ＭＡＸ３０８０、ＭＡＸ３０８８、 ＳＮ７ ５ｌ ７６，ＭＡＸ４ ８ ５、ＭＡＸ ３ ０ ８０、 ＭＡＸ３０８８芯片都有一个发送器和一个接 收器，非常适合作为ＲＳ－４８５总线驱动芯 片，其中ＭＡＸ３０８０、ＭＡＸ３０８８可以在 一条通讯线上连接２５６只，ＭＡＸ３０８８达 到１ ０Ｍｂｐｓ的通讯速率，下面以ＭＡＸ４８５ 为例进行讨论。
１）复位时，主从机都应该处于接收状
态。 ＭＡＸ４８５芯片的发送和接收功能转换
是由芯片的ＲＥ＋，ＤＥ端控制的。ＲＥ一， ＤＥ＝１，ＭＡＸ４８５发送状态；ＲＥ一０， ＤＥ－０时，ＭＡＸ４８５处于接收状态。一 般使用单片机的一根口线连接ＲＥ＋，ＤＥ 端。在上电复位时，由于硬件电路稳定 需要一定的时间，并且单片机各端口复 位后处于高电平状态，这样就会使总线 上各个分机处于发送状态，加上上电时 各电路的不稳定，可能向总线发送信 息。因此，如果用一根口线作发送和接 收控制信号，应该将口线反向后接入 ＭＡＸ４８５的控制端，使上电时ＭＡＸ４８５ 处于接收状态。
由于ＭＡＸ４８５通讯是一种半双工通 讯，发送和接收共用同一物理信道。在 任意时刻只允许一台单机处于发送状态， 因此要求应答的单机必须在侦听到总线上 呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它 单机发出应答信号的情况下，才能应 答。半双工通讯对主机和从机的发送和 接收时序有严格的要求。如果在时序上 配合不好，就会发生总线冲突，使整个 系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做 到总线上的设备在时序上的严格配合， 必须要遵从以下几项原则：
ＭＡＸ４８５引脚分布如图１所示，其相
关引脚的逻辑关系如表ｌ所示。其中 “Ｘ”表示未定义；“Ｈ”表示高电平；“Ｌ” 表示低电平；“ｚ”表示高阻。 ３、ＲＳ－４８５方式构成的多机通信原 理
在由单片机构成的多机串行通信系统 中，一般采用主从式结构：从机不主动 发送命令或数据，一切都由主机控制。
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ＶＣＣ
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号何时为高电平，何时为低电平，一般 以单片机的ＴＸＣ（发送完成标记），ＲＸＣ （接收完成标记）信号作参考。
发送时，检测ＴｘＣ是否建立起来， 当ＴＸＣ为高电平后关闭发送功能转为接收 功能｝
接收时，检测ＲＸＣ是否建立起来， 当ＲＸＣ为高电平后，接收完毕，又可以 转为发送。
在理论上虽然行得通，但在实际联 调中却出现传输数据时对时错的现象。 根据查证有关资料，并借助示波器反复 测试，才发现一个值得注意的问题，我 们可以查看单片机的时序：
（５）合理选用芯片。例如，对外置设 备为防止强电磁（雷电）冲击，建议选用防 雷击芯片。
（６）失效保护 ＲＳ一４８５标准规定接收器门限为± ２００ｍＶ。这样规定能够提供比较高的噪 声抑制能力，但同时也带来了一个问 题：当总线电压在±２００ｍＶ中间时接收 器输出状态不确定。由于ＵＡＲＴ以一个
前导…０ 触发一次接收动作，所以接
（１）总线匹配：总线匹配有两种方 法，一种是加匹配电阻，位于总线两端 的差分端口ＶＡ与ＶＢ之间应跨接１２０（】匹 配电阻，以减少由于不匹配而引起的反 射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干 扰。但匹配电阻要消耗较大电流，不适 用于功耗限制严格的系统。
另外一种比较省电的匹配方案是Ｒ Ｃ 匹配，利用一只电容Ｃ隔断直流成分，可 以节省大部分功率，但电容Ｃ的取值是个 难点，需要在功耗和匹配质量间进行折中。 除上述两种外还有一种采用二极管的匹配 方案，这种方案虽未实现真正的匹配，但 它利用二极管的钳位作用，迅速削弱反射 信号达到改善信号质量的目的，节能效果 显著。
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图１ ＭＡＸ４８５芯片
并且在一个多机通信系统中，只有一台 单机作为主机，各台从机之间不能相互 通讯，即使有信息交换也必须通过主机 转发。采用ＲＳ一４８５构成的多机通讯原理 框图，如图２所示。
表１ ＭＡＸ４８５逻辑关系
发送
绡譬
ＤＥ
ＤＩ
Ａ
Ｂ
×
Ｈ
Ｈ
Ｈ
Ｌ
×
Ｈ
Ｌ
Ｌ
Ｈ
×
Ｌ
×
Ｚ
Ｚ
接收
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接牧酵撵耀 图３串行口时序图
万方数据
收器的不定态可能会使ＵＡＲＴ错误地接收 一些数据，导致系统误动作。当总线空 闲、开路或短路时都有可能出现两线电 压差低于２００ｍＶ的情况，必须采取一定 措施避免接收器处于不定态。传统的做 法是给总线加偏置，当总线空闲或开路 时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确 定的状态（差分电压≥２００ｍＶ）。但这种方 法仍然不能解决总线短路时的问题，为 此，有些器件制造商将接收门限移到一 ２００ｍＶ／－５０ｍＶ，巧妙地解决了这个问 题。例如Ｍａｘｉｍ公司为ＭＡＸ３０８０系列 ＲＳ一４８５接口，不但省去了外部偏置电 阻，而且解决了总线短路情况下的失效 保护问题。
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（２）Ｒ０及ＤＩ端配置上拉电阻。异步 通信数据以字节的方式传送，在每一个 字节传送之前，先要通过一个低电平起 始位实现握手。为防止干扰信号误触发 ＲＯ（接收器输出）产生负跳变，使接收端 ＭＣＵ进入接收状态，建议ＲＯ外接ｌＯｋ Ｑ上拉电阻。
（３）保证系统上电时的ＲＳ ４８５芯片处 于接收输入状态。对于收发控制端ＤＥ建 议采用ＭＣＵ引脚通过反相器进行控制，
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Ｌ
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耩Ｎ１４８５ 图２采用ＲＳ－４８５构成的多机通讯原理框图
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万方数据
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在总线末端接一个匹配电阻，吸收 总线上的反射信号，保证正常传输信号 干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与 总线的特性阻抗相当。
当总线上没有信号传输时，总线处 于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。 将总线上差分信号的正端Ａ＋和＋５Ｖ电源 间接一个１０Ｋ的电阻；正端Ａ＋和负端Ｂ 间接一个１０Ｋ的电阻；负端Ｂ一和间接一 个１ ０Ｋ的电阻，形成一个电阻网络。当 总线上没有信号传输时，正端Ａ＋电平大 约为３．２Ｖ，负端Ｂ一的电平大约为１． ６Ｖ，即使有干扰信号，却很难产生串行 通信的起始信号０，从而增加了总线抗干 扰的能力。 ４．通信规则
美键词
＿
单片机；串行通讯Ｉ：２；Ｒｓ一４８５总线；通讯
１、简介 ＲＳ一４８５采用平衡发送和差分接收方
式来实现通信：在发送端ＴＸＤ将串行Ｉ：１ 的ＴＴＬ电平信号转换成差分信号Ａ、Ｂ两 路输出，经传输后在接收端将差分信号 还原成ＴＴＬ电平信号。两条传输线通常使 用双绞线，又是差分传输，因此有极强 的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相 当高。同时，最大传输速率和最大传输 距离也大大提高。如果以１ ０Ｋｂｐｓ速率传 输数据时传输距离可达１ ２ ｍ，而用 １００Ｋｂｐｓ时传输距离可达１．２ｋｍ。如果降 低波特率，传输距离还可进一步提高。 另外ＲＳ ４８５实现了多点互联，最多可达 ２５６台驱动器和２５６台接收器，非常便于 多器件的连接。不仅可以实现半双工通 信，而且可以实现全双工通信。 ２、总线驱动器芯片ＭＡＸ４８５
（７）地线与接地 电子系统的接地是一个非常关键而又 常常被忽视的问题，接地处理不当经常 会导致不能稳定工作甚至危及系统安全。 对于ＲＳ－４８５网络来讲也是一样，没有一 个合理的接地系统可能会使系统的可靠性 大打折扣，尤其是在工作环境比较恶劣 的情况下，对于接地的要求更为严格。
有关ＲＳ一４８５网络的接地问题很少有资料 提及，在设计者中也存在着很多误区， 致使通信可靠性降低、接口损坏率较 高。一个典型的错误观点就是认为ＲＳ一 ４８ ５通信链路不需要信号地，而只是简单 地用一对双绞线将各个接口的“Ａ”、 “Ｂ”端连接起来。这种处理方法在某些 情况下也可以工作，但给系统埋下了隐 患，主要有以下两方面的问题：
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翮中国科技信，ｇ２。∞年第，，期ｃＨ．ＮＡ ｓｃ．。№。Ａ№硅口№。。ＧＹ，ｋ。。ＭＡＴ．。Ｎ＆，．。。。６
止位。所以，接收端必须延时大于２位数 据位的时间（１位数据位时问＝１／波特率）， 再作应答，否则会发生总线冲突。
３）总线上所连接的各单机的发送控制 信号在时序上完全隔开。
为了保证发送和接收信号的完整和正 确，避免总线上信号的碰撞，对总线的 使用权必须进行分配才能避免竞争，连 接到总线上的单机，其发送控制信号在 时间上要完全隔离。
不宜采用ＭＣＵ引脚直接进行控制，以防 止ＭＣＵ上电时对总线的干扰。
（４）总线隔离。ＲＳ－４８５总线为并接式 二线制接口，一旦有一只芯片故障就可 能将总线“拉死”，因此对其二线口 ＶＡ、ＶＢ与总线之间应加以隔离。通常 在ＶＡ、ＶＢ与总线之间各串接一只４—１０ Ｑ的ＰＴＣ电阻，同时与地之间各跨接５Ｖ 的ＴＶＳ二极管，以消除线路浪涌干扰。
共模干扰问题：的确，ＲＳ一４８５接口 采用差分方式传输信号，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。但应该 注意的是，收发器只有在共模电压不超 出一定范围（一７Ｖ至／１２Ｖ）的条件下才能 正常工作。当共模电压超出此范围就会影 响通信的可靠，直至损坏接口。当发送器 Ａ向接收器Ｂ发送数据时，发送器Ａ的输 出共模电压为ＶＯＳ，由于两个系统具有各 自独立的接地系统，存在着地电位差 ＶＧＰＤ。那么，接收器输入端的共模电压 就会达到ＶＣＭ＝ＶＯＳ＋ＶＧＰＤ。ＲＳ－４８５标 准规定ＶＯＳ≤３Ｖ，但ＶＧＰＤ可能会有很 大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有 强干扰信号，致使接收器共模输入ＶＣＭ超 出正常范围，并在信号线上产生干扰电流， 轻则影响正常通信，重则损坏接口。