基于STM32的RS485适配器开发

1 引言

STM32 系列微控制器是一款基于ARM Cortex-M3 内核的嵌入式应用产品[1]。由于其高性能、低成本、低功耗的特性使其应用领域不断扩大，对于高效开发和利用更为重要。

STM32CubeMX 软件是意法半导体（ST）公司推出的STM32 系列单片机的图形化配置工具，开发者可利用其提供的可视化引脚、外设、时钟等配置功能，快速完成工程的建立、初始化[2-3]。基于MATLAB 和STM32CubeMX 联合开发的STM32-MAT 工具箱，它提供的MCU ConFIG 模块可以配置STM32CubeMX 软件所支持的STM32 芯片，同时它还包含几乎所有STM32 芯片上的资源。在嵌入式软件开发过程中，可以结合Matlab＆Simulink 已有的模块实现复杂的控制算法与嵌入式编程。在STM32CubeMX 软件配置的基础上，快速为STM32 芯片实现图形化设计、早期验证、代码自动生成和文档自动化[4]。Embedded Coder 生成的C 代码MDK 工程文件，编译、下载后直接在单片机上运行，进一步简化了代码集成过程[5]。

随着国家电网公司用电信息采集系统建设的推进，对采集成功率的要求越来越高[6-7]。

RS485 作为国际通用串口通信标准，在用电信息采集系统中得到了广泛应用，对电能表乃至整个用电采集系统的安全经济运行都有重要意义[8]。RS485 通信系统越来越庞大，再加上供电系统复杂的电磁环境，使RS485 通信网络的稳定性面临严峻考验。从现场维护的实际经验来看，RS485 总线传输的拥堵、阻塞以及不稳定是用电信息采集不成功的原因之一。

基于STM32 的RS485 适配器能够很好解决电信息采集系统RS485 通信网络的稳定性问题。

2 硬件系统

系统电路结构连接关系如图1所示[9]。

图1 系统电路结构连接关系

2.1 STM32 单片机关键系统

STM32 单片机最小系统由STM32F103ZET6 单片机、时钟电路、复位电路、JTAG 接口构成。时钟电路采用的晶振频率为8 MHz，复位电路包含上电复位和按键复位。JTAG接口用于给STM32 单片机下载固件或调试程序。

2.2 电源模块

电源模块采用电平转换芯片AMS1117-3.3、一个5 V 转 3 V 稳压电源芯片，内部集成有过热保护与限流电路。供电模块还有供电状态指示灯。

2.3 MAX485 芯片连接

本设计使用MAXIM 公司生产的MAX485 芯片。MAX485 是用于RS485 通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个收发器，芯片引脚及引脚说明如图2所示。RE/DE 为发送接收使能端，高电平发送数据，低电平接收数据。

3 软件设计

软件系统的设计任务具体如下：①利用STM32CubeMX平台进行初始化配置后，生成初始化MDK 工程；②在Matlab＆Simulink 图形化环境下，使用STM32-MAT 工具箱及Simulink 模型进行应用层软件的开发。

图2 RS485 芯片引脚及引脚说明

3.1 信号输出在STM32cubeMX 中的配置

STM32cubeMX 是一款图形化软件设置工具，支持STM32全系列芯片，用户可以非常方便地配置MCU的引脚、时钟、外设等，并且支持自动生成工程项目文件[10]。

3.1.1 时钟配置

时钟配置界面如图3所示，外部晶振通过锁相环（PLL）倍频得到PLLCLK，之后得到系统时钟72 MHz[11]。

图3 时钟配置界面

3.1.2 I/O 口配置

通过STM32I/O 口的输入输出，从而驱动MAX485 数据的输入输出，配置界面如图4所示。主MAX485 芯片RO输出接入STM32芯片INPUT引脚，MAX485芯片的RE/DE、DI 输入引脚接入STM32 芯片OUTPUT 引脚。从MAX485芯片的RO 输出分别接入至STM32 芯片的INPUT 引脚，但14 路从MAX485 芯片的RE/DE、DI 引脚并接为并由STM32芯片的两个定义为OUTPUT 形态的I/O 口引脚控制。

3.1.3 计时器配置

STM32 需要实时扫描主从MAX485 芯片RO 引脚的状态，为保证扫描的实时性，需要计时器定时操作。在STM32CubeMX 界面初始化和使能中断即可，TIMER2 中断使能如图5所示。在Matlab＆Simulink 图形化环境中，对计时器进行应用配置。

图4 I/O 口配置界面

图5 TIMER2 中断使能

3.2 应用层软件在Matlab＆Simulink 中的模型搭建

3.2.1 计时器配置及中断

STM32-MAT 工具箱中时钟模块，时钟配置界面如图6所示。在界面中配置时钟频率为100 000 Hz，即0.01 ms 中断一次。有效提高了采集MAX485 的RO 状态的分辨率。时钟中断模型如图7所示，在中断模型中进行数据处理过程模型的搭建。

图6 Matlab＆Simulink 时钟配置界面

图7 时钟中断模型

3.2.2 RS485 适配器处理原则及软件实现

RS485 适配器设计分为接收到数据集中器数据后的处理规则、电能表数据接收后的处理规则。

电能表数据接收后的处理规则：当RS485 适配器接收到数据集中器发送来的数据时，RS485 适配器把收到的数据通过电能表连接的14 个RS485口发出去。以实现连接到RS485适配器上的每个设就像都在同一条总线上一样。这时RS485适配器就要把收到的数据同步传送给下面的每个RS485 口。 下位机数据接收后的处理规则：当RS485 适配器接收到与电能表连接的14 个RS485 口发送来的数据时，RS485 适配器要把收到的数据通过与数据集中器连接的RS485 发送给数据集中器，使连接到RS485 适配器上的每个设备就像都在同一条总线上一样。当多个RS485 同时接收到数据时，适配器仅选择一个口的数据发送给上位机，并报警提示[12]。

Stateflow 是有限状态机的图形实现工具，可用于解决事件驱动系统中复杂的逻辑问题。有限状态机又称事件驱动系统，是指系统在条件发生变化时从一个状态转换到另外一个状态。有限状态机输入输出如图8所示。

图8 有限状态机输入输出

图8中，计数器、RS485 状态变量作为事件输入至状态机。有限状态机输出各MAX485 芯片数据信号持续时间以及各MAX485 芯片的同步控制信号。

有限状态机内部状态切换如图9所示。

图9 有限状态机内部状态切换图

利用 STM32CubeMX 平台进行初始化配置，并在Matlab＆Simulink 图形化环境下进行应用软件模型的搭建，有效提高了软件的可靠性及复用性。

4 结论

本设计介绍了基于STM32F103 单片机的RS485 适配器开发过程。STM32CubeMX 和MATLAB/Simulink 的STM32 MAT 模型库的使用，使RS485 适配器的功能实现更为方便快捷，极大提高了设计开发效率，提高了RS485 适配器的可维护性及长期运行可靠性。目前，RS485 适配器已在电信息采集系统成功应用，有效减少了现场运维人员的工作量。