在工業控制、電力通訊、智能儀表等領域,通常情況下是采用串口通信的方式進行數據交換。最初采用的方式是RS232接口,由于工業現場比較復雜,各種電氣設備會在環境中產生比較多的電磁干擾,會導致信號傳輸錯誤。
1979年施耐德電氣制定了一個用于工業現場的總線協議Modbus協議,現在工業中使用RS485通信場合很多都采用Modbus協議,所以今天我們來了解下RS485通信和Modbus通信協議。
【RS485通信】
實際上在RS485之前RS232就已經誕生,但是RS232也有不足:
1、接口的信號電平值較高,達到十幾V,容易損壞接口電路的芯片,而且和TTL電平不兼容,因此和單片機電路接起來的話必須加轉換電路。
2、接口使用的信號線與其他設備形成共地模式的通信,這種共地模式傳輸容易產生干擾,并且抗干擾性能也比較弱。
3、傳輸距離、速率都有限,最多只能通信幾十米;只能兩點之間進行通信,不能夠實現多機聯網通信。
針對RS232接口以上不足,出現了RS485等新的接口標準,RS485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RS232降低了,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,數據最高傳輸速率為10Mbps以上;其內部的物理結構,采用的是平衡驅動器和查分接收器的組合,抗干擾能力大大增加。
3、傳輸距離最遠可達到1200米左右,但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,才能達到最大的通信距離,如果需要傳輸更遠距離可以使用中繼。
4、可以在總線上進行聯網實現多機通信,總線上允許掛多個收發器,從現有的RS485芯片來看,有可以掛32、64、128、256等不同個設備的驅動器。
RS485有兩線制和四線制,四線制只能實現點對點的通信方式,現很少采用。兩線制這種接線方式為總線式拓樸結構,在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式,即一個主機帶多個從機。
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2個原因:
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器有一定的共模電壓范圍,RS-485收發器共模電壓范圍為-7~+12V,只有滿足上述條件,整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠,甚至損壞接口。
EMI問題:發送驅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機默認的只帶有RS232接口,以下方法可以得到PC上位機的RS485電路:
1、通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號,對于情況比較復雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離的產品。
2、通過PCI多串口卡,可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。
【Modbus通信協議】
Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議,控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它,不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡,進行集中監控。
此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,描述了一控制器請求訪問其它設備的過程,如何回應來自其它設備的請求,以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。
Modbus具有以下幾個特點:
1、標準、開放,用戶可以免費、放心地使用Modbus協議,不需要交納許可證費,也不會侵犯知識產權。目前,支持Modbus的廠家超過400家,支持Modbus的產品超過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,廠商開發簡單。
一、Modbus 寄存器種類說明
1— 線圈狀態:輸出端口,可設定端口的輸出狀態,也可以讀取該位的輸出狀態
2— 離散輸入狀態:輸入端口,通過外部設定改變輸入狀態,可讀但不可寫
3— 保持寄存器:控制器運行時被設定的某些參數,可讀可寫
4— 輸入寄存器:控制器運行時從外部設備獲得的某些參數,可讀不可寫
二、Modbus 通訊數據格式
單個寫入:
多個寫入:
讀取:
三、Modbus 功能碼簡述
功能碼可以分為位操作和字節操作,位操作的最小單位是Bit,字節操作的最小單位為2個字節(Byte)。
1— 位操作指令:讀線圈狀態01H、讀離散輸入狀態02H、寫單個線圈05H、寫多個線圈0FH.
2— 字節操作指令:讀保存寄存器03H、讀輸入寄存器04H、寫單個保存寄存器06H、寫多個保存寄存器10H.
四、Modbus功能碼
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