使用 ADC 采样实现 RS485 数据接收与协议显示

一、项目背景

常规 RS485 通信中，单片机一般通过 RS485 收发器接另外一个与单片机相连接RS485模块，再通过连接硬件UART 接收数据。相当于RS485只负责远距离传输，本质还是通过uart解析，发送和接收数据。

常规的通信链路通常如下：

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单片机 UART → RS485 收发器 → A/B 总线 → RS485 收发器 → UART

本次实验没有使用收发器上述方式，而是从 USB 转 RS485 模块的 A、B 接口获取 RS485 差分总线信号。

我将 A、B 总线信号送入单片机 ADC 进行采样，并在软件中对采样结果进行电平判决、起始位识别和 UART 时序解析，最终还原出串口协议数据，再通过单片机 UART 输出到串口调试助手显示。

因此，本实验采集的是 RS485 总线侧的 A/B 信号，而不是 TTL/UART 侧的 RX 信号。

难点：波特率速率，协议解析和组合，uart串口的特性，电平判决，起始位和结束位的判断

而这次的流程如下：

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串口调试助手
    ↓
USB 转 RS485
    ↓
RS485 A/B 总线
    ↓
单片机 ADC 采样
    ↓
软件解析 UART 数据帧
    ↓
单片机 UART
    ↓
USB 转 TTL
    ↓
串口调试助手显示

二、目标

本实验的目标包括：

使用 ADC 采集 RS485 A、B 总线信号；
根据 ADC 采样结果进行逻辑电平判决；
检测 UART 起始位；
按 UART 时序依次采集数据位；
判断停止位，完成单字节接收；
将接收到的字节组合成协议帧；
通过 UART 输出协议内容，并在串口调试助手中以十六进制格式显示。

三、实现原理

RS485 使用 A、B 两根线进行差分传输。总线上的差分电压会随 UART 数据位变化而变化。

本实验通过 ADC 对 A、B 信号进行采样，并根据采样值判断当前总线状态。软件检测到起始位后，按照 UART 的位时间，在每一位的中心位置进行采样，从而依次恢复数据位。

以常见的 UART 8N1 格式为例，一帧数据包括：

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1 位起始位 + 8 位数据位 + 1 位停止位

其中：

空闲状态通常为逻辑 1；
起始位为逻辑 0；
数据位低位先发送；
停止位为逻辑 1。

软件解码过程如下：

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检测到起始位，循环判断否则读取和延迟差一点就去的数据就会差很大
    ↓
延时 0.5 个 bit 时间
    ↓
判断是否真的为起始位
    ↓
采集第 0 位数据
    ↓
每隔 1 个 bit 时间采集下一位
    ↓
连续采集 8 位数据
    ↓
判断停止位，循环判断否则读取和延迟差一点就去的数据就会差很大
    ↓
得到一个完整字节

四、关键难点

1. 波特率与 ADC 采样速率

本实验中最关键的问题是采样速率。

UART 的每一位都有固定持续时间。以 9600 bps 为例：

目前最高速率为14400，可以准确的完成目标，波特率过大，对实时性要求很高

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1 bit 时间 = 1 / 9600 ≈ 104 us

若 ADC 采样速度过慢，可能无法捕获起始位，也无法在数据位中心位置完成有效采样，最终会出现乱码、丢字节或帧错误。

为了保证解析效果，ADC 的有效采样率应明显高于 UART 波特率。实际测试中，可根据波特率、单片机性能和 ADC 转换时间调整采样频率。

波特率越高，单个 bit 的时间越短，对 ADC 速度、定时精度和程序响应速度的要求也越高。

2. 电平判决

ADC 采集到的是电压值，而 UART 解码需要的是逻辑 0 和逻辑 1，因此需要将模拟采样值转换为数字逻辑状态。

若分别采集 A、B 信号，可根据两者的电压关系或差分结果进行判决。为了避免噪声造成误判，建议设置高、低两个阈值，形成滞回判断。

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if (adc_value > THRESHOLD_HIGH)
{
    logic_level = 1;
}
else if (adc_value < THRESHOLD_LOW)
{
    logic_level = 0;
}
else
{
    logic_level = last_logic_level;
}

这种方式可以减少信号处于阈值附近时反复跳变的问题。

3. 起始位判断

UART 数据帧以起始位开始。软件需要先检测总线从空闲状态切换到起始位的过程。

如果起始位检测不准确，后续数据位采样时刻都会发生偏移，导致整帧数据解析错误。因此，检测到起始位后，不能立即作为第 0 位数据进行采样，而是等待电平从空闲位到起始位，再等待约 0.5 个 bit 时间检验是否真的为起始位后，再采样第一个数据位

4. 数据位采样与时序控制

UART 数据按照低位在前的顺序发送，即 bit0、bit1、bit2......bit7。

软件在检测到起始位后，以一个 bit 时间为间隔依次采集 8 次，并组合成一个字节。

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uint8_t SoftUart_ReadByte(void)
{
    uint8_t data = 0;
    uint8_t i;

    // 已检测到起始位，等待至第 0 位数据中心
    Delay_1_5Bit();

    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        if (Read_AdcLogicLevel() == 1)
        {
            data |= (1 << i);
        }

        Delay_1Bit();
    }

    return data;
}

实际工程中，建议使用定时器中断、ADC 定时触发或 DMA 等方式提高时序稳定性，避免单纯使用软件延时导致误差累积。

5. 停止位判断

读取完 8 位数据后，还需要判断停止位。

停止位正常应保持为逻辑 0。若停止位判断失败，则说明当前帧可能存在干扰、采样时序偏差或通信参数不一致等问题，可将该字节标记为帧错误并丢弃。

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while(1)
{
    int ret = ADC_Read();
    if(ret == 0)
    {
        break;
    }
}

6. 协议数据的组合

完成单字节接收后，还需要根据具体协议进行数据组合。

例如，若通信协议采用固定帧头、固定长度或 CRC 校验，可将接收字节依次存入缓存区，再根据协议规则判断一帧数据是否完整。

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rx_buffer[rx_index++] = rx_byte;

if (rx_index >= expected_length)
{
    // 判断帧头、长度、校验等
    Protocol_Parse(rx_buffer, rx_index);
    rx_index = 0;
}

在串口调试助手中，建议以十六进制方式显示数据，便于与发送端协议逐字节对比。

六、方案特点

本方案的优点：

不依赖 RS485 收发器的 RO 引脚进行数据接收；
直接观察和采集 RS485 A/B 总线侧信号；
可以学习 ADC 高速采样、UART 时序和协议解析；
适用于低波特率实验、通信信号分析及特殊场景验证；
可在解析数据的同时扩展总线状态监测功能。

本方案的局限性：

对 ADC 采样速率和定时精度要求较高；
波特率提高后，软件解析难度会明显增加；
总线噪声、阈值选择和采样偏差都可能造成误码；
相比硬件 UART 接收，CPU 占用更高、稳定性更依赖软件；
A/B 总线接入 ADC 前应做好限流、分压或钳位保护，避免异常电压损坏 ADC 引脚。

七、总结

本实验通过直接采集 USB 转 RS485 模块 A、B 接口的总线信号，利用单片机 ADC 完成电平采样，并在软件中实现 UART 起始位检测、数据位读取、停止位判断和协议组合。

最终，单片机能够将解析出的协议数据通过 UART 输出到串口调试助手，并以与发送端一致的格式显示。

该实验说明：在采样率和时序精度满足要求的前提下，ADC 不仅可以采集模拟量，也能够用于低速 RS485 通信信号的采集和软件解析。虽然实际产品通常仍优先采用 RS485 收发器配合硬件 UART 的方案，但 ADC 软解码方式对于学习通信原理、分析总线波形和验证协议解析流程具有一定参考价值。

补充：

方法一：利用AB进行ADC转换后的数据进行差值，根据差值判断逻辑0和1

局限，分压电阻不够时，电压大于3300mv,差值为0，导致数据不准确

方法二：利用单口判断逻辑1或逻辑0，当为逻辑1时差值比较的，A口的电压值就比较高，相反A口的逻辑值就比较小，这样的方法比较准确和快速

缺点：需要中间值来判断电平状态

必须通过协议解析提取数据，因为uarttx发送完数据后回回到默认电平状态，一般是高电平，所以在空闲时间回出现大量的逻辑1