了解下RS485通信和Modbus通信協(xié)議

在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域，通常情況下是采用串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。最初采用的方式是RS232接口，由于工業(yè)現(xiàn)場比較復(fù)雜，各種電氣設(shè)備會在環(huán)境中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會導(dǎo)致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實現(xiàn)點對點通信，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，最大傳輸距離也只能達(dá)到幾十米，不能滿足遠(yuǎn)距離通信要求。

而RS485則解決了這些問題，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，可以有效的解決共模干擾問題，最大距離可以到1200米，并且允許多個收發(fā)設(shè)備接到同一條總線上。隨著工業(yè)應(yīng)用通信越來越多，1979年施耐德電氣制定了一個用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議Modbus協(xié)議，現(xiàn)在工業(yè)中使用RS485通信場合很多都采用Modbus協(xié)議，所以今天我們來了解下RS485通信和Modbus通信協(xié)議。

【RS485通信】

實際上在RS485之前RS232就已經(jīng)誕生，但是RS232有幾處不足的地方：

1、接口的信號電平值較高，達(dá)到十幾V，容易損壞接口電路的芯片，而且和TTL電平不兼容，因此和單片機(jī)電路接起來的話必須加轉(zhuǎn)換電路。

2、傳輸速率有局限，不可以過高，一般到幾十Kb/s就到極限了。

3、接口使用信號線和GND與其他設(shè)備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。

4、傳輸距離有限，最多只能通信幾十米。

5、通信的時候只能兩點之間進(jìn)行通信，不能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。

針對RS232接口的不足，就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS485就是其中之一，他具備以下的特點：

1.邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS232C降低了，就不易損壞電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2.RS485通信速度快，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps以上

3.RS485內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，采用的是平衡驅(qū)動器和查分接收器的組合，抗干擾能力大大增加。

4.傳輸速率最遠(yuǎn)可達(dá)到1200米左右，但是他的傳輸速率和傳輸距離是成反比的，只有在100KB/s以下的傳輸速率，才能達(dá)到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠(yuǎn)距離可以使用中繼。

5.可以在總線上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多機(jī)通信，總線上允許掛多個收發(fā)器，從現(xiàn)有的RS485芯片來看，有可以掛32、64、128、256等不同個設(shè)備的驅(qū)動器。

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。在RS232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質(zhì)，RS485網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)，這個主設(shè)備通常是PC，而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備。

RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：

(1)共模干擾問題： RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中 共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

(2)EMI問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。 由于PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機(jī)的RS485電路：（1）通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號轉(zhuǎn)換成RS485信號，對于情況比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。（2）通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴(kuò)展卡。

【Modbus通信協(xié)議】

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

Modbus具有以下幾個特點:

(1)標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。

(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

(3)Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

【RTU協(xié)議幀數(shù)據(jù)】

Modbus有兩種通信傳輸方式，一種是ASCII模式，一種是RTU模式。由于ASCII模式的數(shù)據(jù)字節(jié)是7bit數(shù)據(jù)位，51單片機(jī)無法實現(xiàn)，而且應(yīng)用也相對較少，所以這里我們只用RTU模式。兩種模式相似，會用一種另外一種也就會了。一條典型的RTU數(shù)據(jù)幀如圖所示。

和我們實用串口通信程序類似，我們一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。我們在實用串口通信程序中采用的方法是定義30ms，如果接收到的數(shù)據(jù)超過了30ms還沒有接收到下一個字節(jié)，我們就認(rèn)為這次的數(shù)據(jù)結(jié)束。而Modbus的RTU模式規(guī)定不同數(shù)據(jù)幀之間的間隔是3.5個字節(jié)通信時間以上。如果在一幀數(shù)據(jù)完成之前有超過3.5個字節(jié)時間的停頓，接收設(shè)備將刷新當(dāng)前的消息并假定下一個字節(jié)是一個新的數(shù)據(jù)幀的開始。同樣的，如果一個新消息在小于3.5個字節(jié)時間內(nèi)接著前邊一個數(shù)據(jù)開始的，接收的設(shè)備將會認(rèn)為它是前一幀數(shù)據(jù)的延續(xù)。這將會導(dǎo)致一個錯誤，因此大家看RTU數(shù)據(jù)幀最后還有16bit的CRC校驗。

起始位和結(jié)束符：前后都至少有3.5個字節(jié)的時間間隔，起始位和結(jié)束符實際上沒有任何數(shù)據(jù)，T1-T2-T3-T4代表的是時間間隔3.5個字節(jié)以上的時間，而真正有意義的第一個字節(jié)是設(shè)備地址。

設(shè)備地址：在多機(jī)通信的時候，數(shù)據(jù)那么多，我們依靠什么判斷這個數(shù)據(jù)幀是哪個設(shè)備的呢？沒錯，就是依靠這個設(shè)備地址字節(jié)。每個設(shè)備都有一個自己的地址，當(dāng)設(shè)備接收到一幀數(shù)據(jù)后，程序首先對設(shè)備地址字節(jié)進(jìn)行判斷比較，如果與自己的地址不同，則對這幀數(shù)據(jù)直接不予理會，如果如果與自己的地址相同，就要對這幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照之后的功能碼執(zhí)行相應(yīng)的功能。如果地址是0x00，則認(rèn)為是一個廣播命令，就是所有的從機(jī)設(shè)備都要執(zhí)行的指令。

功能代碼：在第二個字節(jié)功能代碼字節(jié)中，Modbus規(guī)定了部分功能代碼，此外也保留了一部分功能代碼作為備用或者用戶自定義，這些功能碼大家不需要去記憶，甚至都不用去看，直到你有用到的那天再過來查這個表格即可。

CRC校驗：CRC校驗是一種數(shù)據(jù)算法，是用來校驗數(shù)據(jù)對錯的。CRC校驗函數(shù)把一幀數(shù)據(jù)除最后兩個字節(jié)外，前邊所有的字節(jié)進(jìn)行特定的算法計算，計算完后生成了一個16bit的數(shù)據(jù)，作為CRC校驗碼，添加在一幀數(shù)據(jù)的最后。接收方接收到數(shù)據(jù)后，同樣會把前邊的字節(jié)進(jìn)行CRC計算，計算完了再和發(fā)過來的CRC的16bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相同則認(rèn)為數(shù)據(jù)正常，沒有出錯，如果比較不相同，則說明數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生了錯誤，這幀數(shù)據(jù)將被丟棄，就像沒收到一樣，而發(fā)送方會在得不到回應(yīng)后做相應(yīng)的處理錯誤處理。