RS-485和Modbus通信協(xié)議及工作原理

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)生比較多的電磁千擾，會導(dǎo)致信號傳輸錯誤。

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。

什么是串口通信

串口通信(Serial Communication)，是指外設(shè)和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)?。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并目可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進行信息傳送，因此，特別適合于遠距離傳輸。

RS-485協(xié)議概述

RS-485和RS-232一樣，都是審行通信標準，現(xiàn)在的標準名稱是TIA485/EIA-485-A，但是人們會習(xí)慣稱為RS485標準，RS-485常用在工業(yè)、自動化、汽車和建筑物管理等領(lǐng)域。

RS-485總線彌補了RS-232通信距離短，速率低的缺點，RS-485的速率可高達10Mbit/s，理論通訊距離可達1200米；RS-485和RS-232的單端傳輸不一樣是差分傳輸，使用一對雙絞線，其中一根線定義為A，另一個定義為B。

通常情況下，RS485的信號在傳送出去之前會先分解成正負對稱的兩條線路(即我們常說的A、B信號線)，當?shù)竭_接收端后，再將信號相減還原成原來的信號。

拓撲結(jié)構(gòu)

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，多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線拓撲結(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個節(jié)點

RS-485總線同12C總線一樣支持主從模式，支持點對點單從機模式，也支持多從機模式，不支持多主機模式。

長距離布線會有信號衰減，而且引入噪聲和干擾的可能性更大，在線纜A和B上的表現(xiàn)就是電壓幅度的變化，但是，采用差分線的好處就是，差值相減就會忽略掉干擾依舊能輸出正常的信號，把這種差分接收器忽略兩條信號線上相同電壓的能力稱為共模抑制。

標準規(guī)定了，邏輯1: +2V to +6V: 邏輯0: -6V to -2V.

RS-485不需要使用特定的總線電壓，只看最小差分電壓，在較長的電纜長度上，接收器接收到的電壓可能會降低到+/- 200 mV，這對于RS-485仍然是完全可以接受的，這也是RS-485的優(yōu)點之一。

RS485通常標有A+和B-，RS485的電平指的是兩根傳輸線間的電壓差，而不是傳輸線上的電壓。

RS485接線方式

與電腦進行通信時，需要轉(zhuǎn)換器，常見的設(shè)備有：USB轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器，RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器，以太網(wǎng)轉(zhuǎn)RS485串口服務(wù)器。

RS485典型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

RS485總線采用手拉手的總線結(jié)構(gòu)方式。

什么是Modbus協(xié)議

在RS485的通信方式中，RS485總線上可以掛載多個設(shè)備，但是RS485是一種半雙工的通信方式(在一個時間段只能與一個設(shè)備通信)，如果不對掛載的節(jié)點設(shè)備加以限制，會引起通信紊亂的問題。為了解決數(shù)據(jù)傳輸紊亂的問題，我們得對RS485通信加以規(guī)則限制，來保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

舉個例子來說明RS485通信協(xié)議與Modbus通信協(xié)議的關(guān)系：

我們把城市A看做主機，城市B看做從機，如果兩個城市之間要想進行經(jīng)濟往來(數(shù)據(jù)傳輸)，那么第1件事就是修路，而這里的公路就是rs485總線；既然公路修好了，就可以通車了，但如果我們不對路上的車輛加以限制的話，那發(fā)生交通事故的可能性就會很大，所以我們制定了一套交通規(guī)則去限制車輛的行駛，而這個"交通規(guī)則"就是Modbus串行通信協(xié)議。

Modbus是應(yīng)用層的一種串行通信協(xié)議，包括：Modbus RTU、Modbus ASCII 和Modbus TCP三種，其中Modbus RTU與Modbus ASCII均為支持RS-485總線的通信協(xié)議，Modbus TCP是支持以太網(wǎng)的通信協(xié)議。

Modbus 協(xié)議是一個主從架構(gòu)的協(xié)議，有一個主節(jié)點，其他使用 Modbus 協(xié)議參與通信的節(jié)點是從節(jié)點，每一個從設(shè)備都有一個唯一的設(shè)備地址。

Modbus是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。Modbus功能碼是 Modbus請求/應(yīng)答 PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)的元素。

RS485協(xié)議與Modbus協(xié)議的區(qū)別

RS485 Modbus RTU指令解碼

從機地址：從機ID,范圍0-255,其中有效范圍是1-247,其中255是廣播地址(廣播就是對所有從機發(fā)送應(yīng)答)

功能碼：占用一個字節(jié),功能碼的意義就是知道這個指令是干啥的.常用的有03、04、06、16；03和04是READ，06和16是WRITE

數(shù)據(jù)區(qū)：從機的數(shù)據(jù)，此區(qū)域查詢數(shù)據(jù)的地址和查詢字節(jié)數(shù)等。

校驗：CRC檢驗是檢測接收的數(shù)據(jù)是否正確

RS-485通信的應(yīng)用

工業(yè)控制

RS-485通信在工業(yè)自動化領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，RS-485通信可以用于連接PLC(可編程邏輯控制器)、傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和控制。例如，在一條生產(chǎn)線上，RS-485通信可以實現(xiàn)各個設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作，確保生產(chǎn)線的正常運行。

采用RS485通信接口，支持Modbus協(xié)議的空氣溫濕度傳感器

智能家居

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，家庭自動化逐漸成為了一個新興的領(lǐng)域。RS-485通信可以用于連接家庭自動化設(shè)備，如溫度傳感器、智能燈具、智能家電等，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。通過RS-485通信，這些設(shè)備可以相互協(xié)作，實現(xiàn)智能化的家居生活。

采用RS485通信接口，支持Modbus協(xié)議的二氧化碳傳感器

其他領(lǐng)域

除了工業(yè)控制和家庭自動化領(lǐng)域，RS-485通信還廣泛應(yīng)用于電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。例如，在電力系統(tǒng)中，RS-485通信可以用于監(jiān)測電力設(shè)備狀態(tài)、采集電能數(shù)據(jù)等。

推薦設(shè)備：

EdgeBox-RPI-200 邊緣計算控制器

EdgeBox-RPI-200 是基于樹莓派的一體化工業(yè)邊緣計算控制器，結(jié)合了多種工業(yè)用途。設(shè)計為高可擴展性和堅固耐用的工業(yè)硬件，安裝豐富的IO資源，并由強大的Raspberry Pi工業(yè)軟件生態(tài)系統(tǒng)提供支持，是智能自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）解決方案的理想選擇。

特征

一體化工業(yè)控制器：

它不僅僅是一個PLC，PAC，它更可以實現(xiàn)IIoT網(wǎng)關(guān)，OPC UA服務(wù)器和工業(yè)PC的功能。

強大而靈活的處理器：

由樹莓派計算模塊 4 （CM4） 提供支持，配備高達 2GB RAM 和 8GB eMMC，執(zhí)行實時操作和多進程。

豐富的 IO 資源和已安裝的工業(yè)接口：

支持多種工業(yè)總線協(xié)議和標準

多種通信能力：

提供全功能無線互連和 RJ45 千兆以太網(wǎng)，由多種云服務(wù)支持

堅固耐用的工業(yè)級硬件設(shè)計：

集成熱管理，全鋁散熱器外殼，支持 35mm DIN 和壁掛式安裝

偉大的樹莓派工業(yè)軟件生態(tài)系統(tǒng)：

支持多種工業(yè)軟件和平臺，包括Codesys，Node-Red，MQTT，OPC UA，Ignition等。

寫在最后

RS485通信總線是一種半雙工通信總線，在同一時間只能接受或發(fā)送，可以掛載多個節(jié)點設(shè)備。

為了解決主機與從機通信的穩(wěn)定性和可靠性，我們規(guī)定了主從模式，同一時刻只能一主一從進行通信。但主機和從機用什么樣的數(shù)據(jù)幀進行通信還沒有確定。

Modbus協(xié)議規(guī)定了主機與從機通信的數(shù)據(jù)格式，相對于自定義的數(shù)據(jù)格式，Modbus的兼容性更強。

審核編輯：湯梓紅