RS485 驱动例程

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简介

本示例演示了如何在 Titan Board 上使用 RA8 系列 MCU 的 UART 模块实现 RS485 半双工通信，并基于 RT-Thread 串口驱动框架进行数据收发。通过该示例，用户可以熟悉 RA8 UART 外设的配置方法、RS485 通信模式的设置，以及在 RT-Thread 下的应用流程。

RS-485 简介

1. 概述

RS-485（也称 TIA/EIA-485）是一种差分信号串行通信标准，用于工业控制、楼宇自动化和远距离数据传输。它是 RS-232 的增强版，可以支持更长距离和多节点通信。

主要特点：

  • 差分传输：使用 A/B 两条线传输信号，提高抗干扰能力

  • 多点通信：单总线可挂载 多达 32 个驱动器和 32 个接收器（扩展器件可更多）

  • 长距离传输：标准可达 1200 米，速率与距离成反比

  • 半双工或全双工：可灵活配置，常见工业总线协议（Modbus RTU）采用半双工

2. 物理层特性

特性

描述

信号类型

差分信号（A/B 两线）

驱动电压

±1.5 V 至 ±5 V

接收器阈值

≥ ±200 mV

总线最大节点数

32 个驱动器 + 32 个接收器（标准）

总线长度

最高可达 1200 m（速率低可更长）

终端电阻

120 Ω，匹配总线阻抗，减少反射

差分信号原理：

  • A/B 两条线同时传输电流方向相反的信号

  • 接收器测量 V_AB = V_A - V_B

  • 即使有共模干扰，差分电压仍可保持正确逻辑

3. 通信模式

  1. 半双工（Half-Duplex）

    • 总线单方向通信

    • 通过控制发送/接收使能实现

    • 常用于 Modbus RTU 等工业协议

  2. 全双工（Full-Duplex）

    • 使用两对差分线（A/B + A’/B’）同时收发

    • 提高通信效率

    • 对 PCB 布线要求更高

  3. 点对点和多点通信

    • 点对点：两节点通信，简单可靠

    • 多点（多驱动器/多接收器）：需总线仲裁，避免冲突

4. 信号特性

  • 逻辑电平：

    • 逻辑 “1”（标记电平）：A < B

    • 逻辑 “0”（空闲电平）：A > B

  • 抗干扰能力

    • 差分信号可抑制共模干扰

    • 常用于工业环境中的长距离传输

  • 波特率与距离：

    波特率

    最大传输距离

    9600 bps

    1200 m

    115200 bps

    100 m

    • 波特率越高，传输距离越短

5. 优势与限制

优势：

  • 抗干扰能力强

  • 支持长距离和多节点

  • 总线成本低，布线简单

限制：

  • 半双工总线通信需软件或硬件管理冲突

  • 高速通信距离受限

  • 需要终端电阻匹配

RA8 系列 UART 模块概述

RA8 系列 MCU 内置高性能 UART 外设，支持多种通信模式和波特率，能够满足 RS485 半双工通信需求。

1. UART 总体特性

  • 通信模式：标准 UART 异步串行通信

  • 数据位长度：5~9 位可选

  • 停止位：1、1.5、2 位可选

  • 奇偶校验：支持无、偶、奇校验

  • 波特率：支持 300 bps ~ 12 Mbps，部分型号可更高

  • FIFO 支持：发送/接收 FIFO 缓冲，减轻 CPU 负担

  • DMA 支持：TX/RX 可通过 DMA 提高数据吞吐

  • 中断事件：传输完成、中断触发、FIFO 阀值、错误检测（帧错误、溢出、奇偶校验错误）

2. RS485 相关功能

RA8 UART 模块对 RS485 支持如下：

  • DE（Driver Enable）自动控制

    • 当发送数据时自动拉高 DE

    • 发送完成后自动拉低 DE

  • 半双工模式

    • 单线收发器，通过方向控制实现收发切换

  • 地址检测功能（可选）

    • 支持多机通讯的地址匹配

3. UART 架构与工作原理

  1. 发送/接收 FIFO

    • 提供独立的 TX/RX 缓冲区

    • 支持 FIFO 阈值中断，提高连续收发效率

  2. 波特率生成器

    • 根据 PCLK 和分频寄存器生成所需波特率

    • 支持标准波特率和非标准波特率

  3. 中断与事件处理

    • TX 空中断：发送缓冲区空

    • RX 满中断：接收缓冲区满

    • 错误中断：帧错误、溢出、奇偶校验错误

    • 发送完成中断：可用于 RS485 DE 自动控制

RT-Thread UART v2 驱动框架

RT-Thread UART v2（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）框架 是 RT-Thread 设备驱动层提供的统一接口，用于管理各类 MCU 的串口通信模块。UART v2 相较于旧版 UART 框架，进一步标准化了接口定义，增强了事件回调和中断机制支持，使应用层能够以统一的方式实现串口通信功能。

1. 设备模型

在 RT-Thread 中，UART 被作为 设备对象（struct rt_device 的子类，类型为 RT_Device_Class_Char）进行管理。开发者无需直接操作底层寄存器，只需通过标准接口即可完成串口设备的初始化、配置、收发以及回调注册等操作。

2. 操作接口

应用程序通过 RT-Thread 提供的 I/O 设备管理接口来访问 UART 硬件，相关接口如下所示：

  • 查找串口设备

rt_device_t rt_device_find(const char* name);

  • 打开串口设备

rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflags);

  • 控制串口设备

通过控制接口，应用程序可以对串口进行配置，如波特率、数据位、校验位、停止位、缓冲区大小等参数。控制函数如下：

rt_err_t rt_device_control(rt_device_t dev, rt_uint8_t cmd, void* arg);

  • 发送数据

rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void* buffer, rt_size_t size);

  • 设置发送完成回调函数

rt_err_t rt_device_set_tx_complete(rt_device_t dev, rt_err_t (*tx_done)(rt_device_t dev, void* buffer));

  • 设置接收回调函数

rt_err_t rt_device_set_rx_indicate(rt_device_t dev, rt_err_t (*rx_ind)(rt_device_t dev, rt_size_t size));

  • 接收数据

rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void* buffer, rt_size_t size);

  • 关闭串口设备

rt_err_t rt_device_close(rt_device_t dev);

常用控制命令如下（通过 rt_device_control() 调用）：

#define RT_DEVICE_CTRL_CONFIG        (0x10)   /* 配置串口参数 */
#define RT_DEVICE_CTRL_SET_INT       (0x11)   /* 使能中断 */
#define RT_DEVICE_CTRL_CLR_INT       (0x12)   /* 关闭中断 */
#define RT_DEVICE_CTRL_CUSTOM_CMD    (0x13)   /* 自定义控制命令 */

3. 框架特点

  • 接口统一：串口设备的读写、控制、回调等操作统一封装为标准接口。

  • 事件回调机制：支持接收与发送完成的回调函数，提高异步通信能力。

  • 可配置参数丰富：支持灵活配置波特率、校验位、数据位和停止位。

  • 中断与 DMA 支持：可根据驱动实现选择中断模式或 DMA 模式进行收发。

  • 跨平台移植性强：应用层代码可在不同 MCU 平台间无缝复用。

参考：RT-Thread UART 设备 V2 版本

硬件说明

image-20251015150429065

FSP 配置

  • 打开 FSP 工具，新建 r_sci_b_uart stack：

image-20250815103230118

  • 配置 r_sci_b_uart stack：

image-20250815103506188

  • 配置 r_sci_b_uart 引脚：

image-20250815103616877

RT-Thread Settings 配置

  • 使能并配置 RS485。

image-20250815104950997

工程示例说明

#define RS485_OUT       rt_pin_write((rt_base_t)RS485_DE_PIN, PIN_HIGH)
#define RS485_IN        rt_pin_write((rt_base_t)RS485_DE_PIN, PIN_LOW)

static rt_device_t rs485_serial = RT_NULL;
static struct rt_semaphore rs485_rx_sem;
static struct rt_ringbuffer rs485_rx_rb;
static rt_uint8_t rs485_rx_buffer[RS485_RX_BUFFER_SIZE];

/* uart receive data callback function */
static rt_err_t rs485_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    if (size > 0)
    {
        rt_uint8_t ch;
        while (rt_device_read(dev, 0, &ch, 1) == 1)
        {
            rt_ringbuffer_put_force(&rs485_rx_rb, &ch, 1);
        }
        rt_sem_release(&rs485_rx_sem);
    }
    return RT_EOK;
}

/* send data */
int rs485_send_data(const void *tbuf, rt_uint16_t t_len)
{
    RT_ASSERT(tbuf != RT_NULL);

    /* change rs485 mode to transmit */
    RS485_OUT;

    /* send data */
    rt_size_t sent = rt_device_write(rs485_serial, 0, tbuf, t_len);

    if (sent != t_len)
    {
        /* Transmission failed, switch back to receive mode */
        RS485_IN;
        return -RT_ERROR;
    }

    /* Note: We don't switch back to receive mode here -
       that will be done in the tx_complete callback (rs485_output) */

    LOG_I("send==>>");
    for (int i = 0; i < t_len; i++)
    {
        LOG_I("   %d:   %c ", i, ((rt_uint8_t *)tbuf)[i]);
    }
    RS485_IN;

    return RT_EOK;
}

static void rs485_thread_entry(void *parameter)
{
    rt_uint8_t ch;
    rt_size_t length;

    while (1)
    {
        /* Wait for data */
        rt_sem_take(&rs485_rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);

        /* Process all available data in the ring buffer */
        while (length = rt_ringbuffer_get(&rs485_rx_rb, &ch, 1))
        {
            if (length == 1)
            {
                LOG_I("recv data:%c", ch);
            }
        }
    }
}

int rs485_init(void)
{
    /* Initialize ring buffer */
    rt_ringbuffer_init(&rs485_rx_rb, rs485_rx_buffer, RS485_RX_BUFFER_SIZE);

    /* find uart device */
    rs485_serial = rt_device_find(RS485_UART_DEVICE_NAME);
    if (!rs485_serial)
    {
        LOG_E("find %s failed!", RS485_UART_DEVICE_NAME);
        return -RT_ERROR;
    }

    /* Open device in interrupt mode with DMA support if available */
    rt_device_open(rs485_serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX | RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX);

    /* set receive data callback function */
    rt_device_set_rx_indicate(rs485_serial, rs485_input);

    /* Initialize RTS pin */
    rt_pin_mode((rt_base_t)RS485_DE_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    RS485_IN;

    /* Initialize semaphore */
    rt_sem_init(&rs485_rx_sem, "rs485_rx_sem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);

    rt_thread_t thread = rt_thread_create("rs485", rs485_thread_entry, RT_NULL,
                                        1024, 25, 10);

    if (thread != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(thread);
    }
    else
    {
        return -RT_ERROR;
    }

    return RT_EOK;
}
INIT_DEVICE_EXPORT(rs485_init);

编译&下载

  • RT-Thread Studio：在RT-Thread Studio 的包管理器中下载 Titan Board 资源包，然后创建新工程，执行编译。

编译完成后，将开发板的 USB-DBG 接口与PC 机连接，然后将固件下载至开发板。

运行效果

在终端中输入 rs485_cmd -t RT-Thread 命令发送 “RT-Thread” 字符串。

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将 Titan Board 的 RS485 接口与另一块开发板的 RS485 接口连接，使用另一块开发板不断发送数据，终端会输出 Titan Board 接收到的数据。

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