Buses de campo para Arduino.... RS485

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Originalmente, toda la información la publiqué en el foro de Arduino en español. Puedes seguirlo aquí.

El RS485 es un estandar de comunicación serie en el cual se pueden tener varios dispositivos en topología de bus y de una manera muy económica. Aquí explicaremos brevemente como realizar una pequeña red basada en 2 hilos.
Dado que sólo se usan dos hilos balanceados (diferencial), las comunicaciones son semiduplex. Para configurar el driver como transmisor o receptor, el driver dispone de una entrada digital para su configuración.

Para darle conectividad RS485 a nuestro arduino, sólo necesitamos de un convertidor de niveles para usar la UART del micro, y por menos de 1 euro tendremos todo lo necesario.
Los chips más usados son:
- Max485
- SN75176 (siendo éste el más económico)

La norma RS485 sólo establece las características físicas, no definiendo ningún protocolo ó forma de conexionado.

Señalamos unos links muy recomendables:
http://www.i-micro.com/pdf/articulos/rs-485.pdf
http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm?appnote_number=763&CMP=WP-1
http://www.neoteo.com/rs485-domotica-al-alcance-de-tu-mano-15810.neo
Documento con tramas de ejemplo para solucionar problemas
http://www.sbc-support.ch/faq/files/files.get.php?ZSESSIONID=n38bphov4ls4cdsvtbd...



La manera más sencilla de aprender como realizar un protocolo, es basarte en algo que ya existe. Para ello, me he basado en el protocolo profesional usado por Fuji para sus variadores industriales.
Véase: http://www.cdautomation.com/download/ENG_L_M_FUJI_RS485_COMM_for_FRENIC-Mini.PDF

Veamos un diagrama explicativo de la trama:

Las tramas son de 15 bytes:

• Byte 1: Byte de start ( 0 hexadecimal ).
• Byte 2-3: SCII de la dirección del arduino.
• Byte 4: Byte ENQ, ACK ó NAK (0x05h, 0x06h y 0x15h) .
• Byte 5: ASCII del comando petición.
• Byte 6 y 7: ASCII del número de función.
• Byte 8: Byte signo (Positivo 0x20h y Negativo 2D)
• Byte 9-12: ASCII con el dato (0x00h-0xFFFFh)
• Byte 13: Byte fin de texto (0x03h)
• Byte 14-15: Checksum (suma de byte 2 al byte13)

Con esta trama se dispone de un byte que indica función + 2 bytes con el número de la función, por lo cual se pueden hacer multitud de combinaciones… Algunos ejemplos pueden ser: A01 realiza una petición de datos de la entrada analógica 1, P01 realiza una configuración de PWM 1 con el dato enviado en los 4 bytes de datos,… Elección del diseñador!!!
Se puede observar que los comandos están en ASCII y los bytes de control no. Esto ayuda enormente en la programación, ya que si recibimos 0x00 (suponiendo que es el byte de start), nuestro programa sabe que es un inicio de trama y no lo entiende como un "0" (número cero), ya que éste se enviaría en ASCII (0x30).
A continuación, adjunto una tabla ASCII sacada de http://www.cs.utk.edu/~pham/ascii_table.jpg





Veamos un ejemplo:
Queremos que un arduino (maestro) envíe la orden de encendido/apagado de un led conectado a otro arduino arduino (esclavo). El interruptor está en el maestro y la actuación (encendido/apagado) en el esclavo.

Según el estado del interruptor, el maestro envía la trama de petición de encendio/apagado, al esclavo ,cuya dirección es 01. Se ha decidido que la función se llamará D y el número 00 (completamente configurable).
Ej: 0x00 0x30 0x31 0x05 0x44 0x30 0x30 0x20 0x30 0x30 0x30 0x31 0x03 0x01 0xEE
El esclavo, contesta con un ACK (byte 4) al maestro confirmando el dato recibido.
Ej: 0x00 0x30 0x31 0x06 0x44 0x30 0x30 0x20 0x30 0x30 0x30 0x31 0x03 0x01 0xEF

Mejor,lo vemos con un video: http://www.youtube.com/watch?v=ABcjU0Ua-d4

(el interruptor es un triste cable que lo llevo a masa o VCC.... sorry!!!)

Para poder ver las tramas, bastará un conversor USB <--> RS232 basado en chip ftdi, ó un MAX232+MAX485,... Si tienes una placa Arduino de sobra, quitale el micro y tendrás un conversor USB --> RS232.

 
El software para monitorizar lo que está pasado, puede ser el hyperterminal de windows ó alguno gratuito que añaden mejoras como poder ver los datos en hexadecimal, grabar,...:
RealTerm
FREE SERIAL TERMINAL MONITOR


Ahora veamos un ejemplo con 3 arduinos interconectados. El mestro dispone de 2 switch, los cuales comandan el encendido/apagado de un led conectado a cada uno de los esclavos.




Veamos el video de funcionamiento: http://www.youtube.com/watch?v=S9FSQaToVZ4

Ahora toca el código:

IMPORTANTE: El checksum lo hago directamente en hexadecimal en vez de convertirlo a ASCII. Se debería cambiar el código, para no tener problemas. Esta publicación se trata de un acercamiento de como manejar el bus rs485 y explicar como implementar un protocolo, por lo que no está 100%.

MAESTRO:

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//RS 485
//By Igor Real
//24-06-09
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byte            data[12];
unsigned long   previous_time;
unsigned long   previous_time2;
byte            times_repeat=5;
byte            times_repeat2=5;

byte            state=0;
byte            state2=0;

#define  pinCONTROL    02
#define  myaddress     01
  

void setup() {

   pinMode(13,OUTPUT);
   pinMode(pinCONTROL,OUTPUT);
   digitalWrite(13,HIGH);
   digitalWrite(12,LOW);
   pinMode(8,INPUT);
   pinMode(9,INPUT);
   digitalWrite(pinCONTROL,LOW);
   Serial.begin(9600);
   Serial.println("Empezamos");
   state=0;
   state2=0;
}

void loop()
{

  if (digitalRead(8)==state){
    state=!state;
    times_repeat=0;  
  }
  if (digitalRead(9)==state2){
    state2=!state2;
    times_repeat2=0;  
  }

  
  
  
  if (times_repeat<4){
    Serial.flush();  
    //(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4)
    if (digitalRead(8)==HIGH){  
      sendMSG(48,49,68,48,48,32,48,48,48,49);
    }else {
      sendMSG(48,49,68,48,48,32,48,48,48,48);
    }
    times_repeat=times_repeat+1;
  
    previous_time=millis();
    while (((millis()-previous_time)<500) && (Serial.available()!=15)){
      ;;
    }
  
    if (Serial.available()>=15){
      if (receiveMSG()==1){
        Serial.println("Trama correcta");
        if (data[0]==48 && data[1]==49 && data[2]==6){
          //ACK  
          times_repeat=5;
          Serial.println("ACK recibido");
        }
      }
     }
   }  
  
  

  if (times_repeat2<4){
    Serial.flush();  
    //(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4)
    if (digitalRead(9)==HIGH){  
      sendMSG(48,50,68,48,48,32,48,48,48,49);
    }else {
      sendMSG(48,50,68,48,48,32,48,48,48,48);
    }
    times_repeat2=times_repeat2+1;
  
    previous_time2=millis();
    while (((millis()-previous_time2)<500) && (Serial.available()!=15)){
    ;;
    }
  
    if (Serial.available()>=15){
      if (receiveMSG()==1){
        //Serial.println("Trama correcta");
        if (data[0]==48 && data[1]==50 && data[2]==6){
          //ACK  
          times_repeat2=5;
          //Serial.println("ACK recibido");
        }
      }
    }
  }
  
  
  
}


//------------------------
//FUNCIONES
//------------------------

byte receiveMSG(){

  byte  byte_receive;
  byte  state=0;
  byte  cont1=1;
  byte  trace_OK=0;

  unsigned int checksum;
  unsigned int checksum_trace;
  
  
  
  while (Serial.available() > 0){
    
     byte_receive=Serial.read();
     if (byte_receive==00){
       state=1;
       checksum_trace=0;
       checksum=0;
       trace_OK=0;
       cont1=1;
     }else if (state==1 && cont1<=12){
       data[cont1-1]=byte_receive;
       checksum=checksum+byte_receive;
       cont1=cont1+1;
     }else if (state==1 && cont1==13){
       checksum_trace=byte_receive<<8;
       cont1=cont1+1;
     }else if (state==1 && cont1==14){
       checksum_trace=checksum_trace+byte_receive;
       cont1=cont1+1;
       state=0;
       if (checksum_trace==checksum){
           trace_OK=1;
       }else{
         trace_OK=0;
       }
       break;
     }
  }
  return trace_OK;

}



void sendMSG(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4){
  
  unsigned int checksum_ACK;
  checksum_ACK=address1+address2+5+data_type+code1+code2+Sign+data1+data2+data3+data4+3;
  
  UCSR0A=UCSR0A |(1 << TXC0);
  
  digitalWrite(pinCONTROL,HIGH);
  delay(1);

  Serial.print(0,BYTE);
  Serial.print(address1,BYTE);
  Serial.print(address2,BYTE);
  Serial.print(5,BYTE);
  Serial.print(data_type,BYTE);
  Serial.print(code1,BYTE);
  Serial.print(code2,BYTE);
  Serial.print(Sign,BYTE);
  Serial.print(data1,BYTE);
  Serial.print(data2,BYTE);
  Serial.print(data3,BYTE);
  Serial.print(data4,BYTE);  
  Serial.print(3,BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK>>8)&255),BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK)& 255),BYTE);
  while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
  digitalWrite(pinCONTROL,LOW);

  
  
}



void sendACK(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4){
  
  unsigned int checksum_ACK;
  checksum_ACK=address1+address2+6+data_type+code1+code2+Sign+data1+data2+data3+data4+3;
  
  UCSR0A=UCSR0A |(1 << TXC0);
  
  digitalWrite(pinCONTROL,HIGH);
  delay(1);

  Serial.print(0,BYTE);
  Serial.print(address1,BYTE);
  Serial.print(address2,BYTE);
  Serial.print(6,BYTE);
  Serial.print(data_type,BYTE);
  Serial.print(code1,BYTE);
  Serial.print(code2,BYTE);
  Serial.print(Sign,BYTE);
  Serial.print(data1,BYTE);
  Serial.print(data2,BYTE);
  Serial.print(data3,BYTE);
  Serial.print(data4,BYTE);  
  Serial.print(3,BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK>>8)&255),BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK)&255),BYTE);
  while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
  digitalWrite(pinCONTROL,LOW);
  
  
}

void sendNAK(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4){
  
  unsigned int checksum_ACK;
  checksum_ACK=address1+address2+6+data_type+code1+code2+Sign+data1+data2+data3+data4+3;
  
  UCSR0A=UCSR0A |(1 << TXC0);
  
  digitalWrite(pinCONTROL,HIGH);
  delay(1);

  Serial.print(0,BYTE);
  Serial.print(address1,BYTE);
  Serial.print(address2,BYTE);
  Serial.print(15,BYTE);
  Serial.print(data_type,BYTE);
  Serial.print(code1,BYTE);
  Serial.print(code2,BYTE);
  Serial.print(Sign,BYTE);
  Serial.print(data1,BYTE);
  Serial.print(data2,BYTE);
  Serial.print(data3,BYTE);
  Serial.print(data4,BYTE);  
  Serial.print(3,BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK>>8)&255),BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK)&255),BYTE);
  while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
  digitalWrite(pinCONTROL,LOW);
  
  
}



byte hex2num(byte x){

  byte result;
  
  if (x>=48 && x<=57){
    result=x-48;  
  }else if (x>=65 && x<=70){
    switch(x){
      case 65:
        result=10;
        break;
      case 66:
        result=11;
        break;
      case 67:
        result=12;
        break;
      case 68:
        result=13;
        break;
      case 69:
        result=14;
        break;
      case 70:
        result=15;
        break;    
    }  
  }
  return result;  
}



 

ESCLAVOS:

(hay que cambiar la dirección en myaddress a 01 y 02,dependiendo del esclavo)

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//RS 485
//By Igor Real
//24-06-09
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byte  data[12];
byte  address;
byte  function;
byte  function_code;
unsigned int data_received;
byte  byte_receive;
byte  state=0;
byte  cont1=1;
byte  trace_OK=0;
unsigned int checksum;
unsigned int checksum_trace;

#define  pinCONTROL    02
#define  myaddress     02
  

void setup() {

   pinMode(13,OUTPUT);
   pinMode(pinCONTROL,OUTPUT);
   digitalWrite(2,LOW);
   Serial.begin(9600);
   Serial.println("Empezamos");

}

void loop()
{

   while (Serial.available() > 0){
    
     byte_receive=Serial.read();
     if (byte_receive==00){
       //Serial.println("Se ha recibido byte Start");
       state=1;
       checksum_trace=0;
       checksum=0;
       trace_OK=0;
       address=0;
       data_received=0;
       cont1=1;
     }else if (state==1 && cont1<=12){
       data[cont1-1]=byte_receive;
       checksum=checksum+byte_receive;
       cont1=cont1+1;
     }else if (state==1 && cont1==13){
       checksum_trace=byte_receive<<8;
       cont1=cont1+1;
       //Serial.print("Primer Byte Checksum");      
       //Serial.print(checksum_trace,HEX);
     }else if (state==1 && cont1==14){
       checksum_trace=checksum_trace+byte_receive;
       cont1=cont1+1;
       state=0;
       //Serial.println(byte_receive,HEX);
       //Serial.println("Recibida trama");
       //Serial.print("Checksum Trace= ");
       //Serial.println(checksum_trace,HEX);
       //Serial.print("Checksum= ");
       //Serial.println(checksum,HEX);
       //Serial.println(checksum,DEC);
       //Serial.println("Trama= ");
       //Serial.print(data[0]);
       //Serial.print(data[1]);
       //Serial.print(data[2]);
       //Serial.print(data[3]);
       //Serial.print(data[4]);
       //Serial.print(data[5]);
       //Serial.print(data[6]);
       //Serial.print(data[7]);
       //Serial.print(data[8]);
       //Serial.print(data[9]);
       //Serial.print(data[10]);
       //Serial.println(data[11]);      

       if (checksum_trace==checksum){
         trace_OK=1;
        
         address=(hex2num(data[0])<<4)+(hex2num(data[1]));
         function=data[3];
         function_code=(hex2num(data[4])<<4)+(hex2num(data[5]));
         data_received=(hex2num(data[7])<<12)+(hex2num(data[8])<<8)+(hex2num(data[9])<<4)+(hex2num(data[10]));
        
         //Serial.println("TRAZA CORRECTA");
         //Serial.println(address,DEC);
         //Serial.println(data_received);
         if (address==myaddress){
           if ((function=='D') && (function_code==0) && data[2]==5){
             if (data_received==1){
               digitalWrite(13,HIGH);
               //Serial.println(data_received,DEC);
               sendACK(data[0],data[1],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7],data[8],data[9],data[10]);
             }else if (data_received==0){
               digitalWrite(13,LOW);
               sendACK(data[0],data[1],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7],data[8],data[9],data[10]);
             }
           }
         }
       }else{
         //Serial.println("TRAZA INCORRECTA");  
         sendNAK(data[0],data[1],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7],data[8],data[9],data[10]);
       }
     }

  }
  
}


//------------------------
//FUNCIONES
//------------------------

byte receiveMSG(){

  byte  byte_receive;
  byte  state=0;
  byte  cont1=1;
  byte  trace_OK=0;

  unsigned int checksum;
  unsigned int checksum_trace;
  

  
  
  while (Serial.available() > 0){
    
     byte_receive=Serial.read();
     if (byte_receive==00){
       state=1;
       checksum_trace=0;
       checksum=0;
       trace_OK=0;
       cont1=1;
     }else if (state==1 && cont1<=12){
       data[cont1-1]=byte_receive;
       checksum=checksum+byte_receive;
       cont1=cont1+1;
     }else if (state==1 && cont1==13){
       checksum_trace=byte_receive<<8;
       cont1=cont1+1;
     }else if (state==1 && cont1==14){
       checksum_trace=checksum_trace+byte_receive;
       cont1=cont1+1;
       state=0;
       if (checksum_trace==checksum){
           trace_OK=1;
       }else{
         trace_OK=0;
       }
       break;
     }
  }
  return trace_OK;

}



void sendMSG(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4){
  
  unsigned int checksum_ACK;
  checksum_ACK=address1+address2+5+data_type+code1+code2+Sign+data1+data2+data3+data4+3;
  
  UCSR0A=UCSR0A |(1 << TXC0);
  
  digitalWrite(pinCONTROL,HIGH);
  delay(1);

  Serial.print(0,BYTE);
  Serial.print(address1,BYTE);
  Serial.print(address2,BYTE);
  Serial.print(5,BYTE);
  Serial.print(data_type,BYTE);
  Serial.print(code1,BYTE);
  Serial.print(code2,BYTE);
  Serial.print(Sign,BYTE);
  Serial.print(data1,BYTE);
  Serial.print(data2,BYTE);
  Serial.print(data3,BYTE);
  Serial.print(data4,BYTE);  
  Serial.print(3,BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK>>8)&255),BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK)& 255),BYTE);
  while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
  digitalWrite(pinCONTROL,LOW);

  
  
}



void sendACK(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4){
  
  unsigned int checksum_ACK;
  checksum_ACK=address1+address2+6+data_type+code1+code2+Sign+data1+data2+data3+data4+3;
  
  UCSR0A=UCSR0A |(1 << TXC0);
  
  digitalWrite(pinCONTROL,HIGH);
  delay(1);

  Serial.print(0,BYTE);
  Serial.print(address1,BYTE);
  Serial.print(address2,BYTE);
  Serial.print(6,BYTE);
  Serial.print(data_type,BYTE);
  Serial.print(code1,BYTE);
  Serial.print(code2,BYTE);
  Serial.print(Sign,BYTE);
  Serial.print(data1,BYTE);
  Serial.print(data2,BYTE);
  Serial.print(data3,BYTE);
  Serial.print(data4,BYTE);  
  Serial.print(3,BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK>>8)&255),BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK)&255),BYTE);
  while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
  digitalWrite(pinCONTROL,LOW);
  
  
}

void sendNAK(byte address1,byte address2,byte data_type,byte code1,byte code2,byte Sign,byte data1,byte data2,byte data3,byte data4){
  
  unsigned int checksum_ACK;
  checksum_ACK=address1+address2+6+data_type+code1+code2+Sign+data1+data2+data3+data4+3;
  
  UCSR0A=UCSR0A |(1 << TXC0);
  
  digitalWrite(pinCONTROL,HIGH);
  delay(1);

  Serial.print(0,BYTE);
  Serial.print(address1,BYTE);
  Serial.print(address2,BYTE);
  Serial.print(15,BYTE);
  Serial.print(data_type,BYTE);
  Serial.print(code1,BYTE);
  Serial.print(code2,BYTE);
  Serial.print(Sign,BYTE);
  Serial.print(data1,BYTE);
  Serial.print(data2,BYTE);
  Serial.print(data3,BYTE);
  Serial.print(data4,BYTE);  
  Serial.print(3,BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK>>8)&255),BYTE);
  Serial.print(((checksum_ACK)&255),BYTE);
  while (!(UCSR0A & (1 << TXC0)));
  digitalWrite(pinCONTROL,LOW);
  
  
}



byte hex2num(byte x){

  byte result;
  
  if (x>=48 && x<=57){
    result=x-48;  
  }else if (x>=65 && x<=70){
    switch(x){
      case 65:
        result=10;
        break;
      case 66:
        result=11;
        break;
      case 67:
        result=12;
        break;
      case 68:
        result=13;
        break;
      case 69:
        result=14;
        break;
      case 70:
        result=15;
        break;    
    }  
  }
  return result;  
}

Ahora veamos como cablear una red de topología bus:

 

En cada Arduino o dispositivo de la red, se cablea con una Y soldada en la cual salen dos conectores de la misma familia. Debe tener la longitud más corta posible.

Cada conector tiene Alimentación, Señal A, Señal B y Masa.

De esta forma, si se quiere ir ampliando la red con dispositivos, bastará con ir intercalandolos ó poniendolos a final. Ya que cada dispositivo tiene conectores macho y hembra, por lo que encaja perfecto.
Se puede preparar un par de conectores, con una resistencia terminadora puesta en los terminales correspondientes a la Señal A y Señal B del bus RS485 para cerrar los extremos (siempre quedará un par de conectores libres). Si se necesita añadir más dispositivos, se desconecta dicho conector con la resistencia terminadora, se intercala el nuevo dispostivo y se vuelve a cerrar la red.

Llevar alimentación en el cableado, no cuesta nada y todo será más fácil para futuras ampliaciones...
El cable de Señal A y B debe ser trenzado.

Recomiendo este link acerca del conexionado: http://www.rs-485.com/download/485%20network%20topology.pdf 

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Saludos!!

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Igor R.

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