RS485與Modbus通信協(xié)議教程

   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(chǎng)比較復(fù)雜，各種電氣設(shè)備會(huì)在環(huán)境中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。

  1979年施耐德電氣制定了一個(gè)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議Modbus協(xié)議，現(xiàn)在工業(yè)中使用RS485通信場(chǎng)合很多都采用Modbus協(xié)議，所以今天我們來(lái)了解下RS485通信和Modbus通信協(xié)議。

RS485通信

1、實(shí)際上在RS485之前RS232就已經(jīng)誕生，但是RS232也有不足：

（1）接口的信號(hào)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(lái)的話(huà)必須加轉(zhuǎn)換電路。

（2）接口使用的信號(hào)線(xiàn)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。

（3）傳輸距離、速率都有限，最多只能通信幾十米；只能兩點(diǎn)之間進(jìn)行通信，不能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。

2、針對(duì)RS232接口以上不足，出現(xiàn)了RS485等新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS485具備以下的特點(diǎn)：

（1）邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號(hào)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(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps以上；其內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，采用的是平衡驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)可達(dá)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(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。

（4）可以在總線(xiàn)上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，總線(xiàn)上允許掛多個(gè)收發(fā)器，從現(xiàn)有的RS485芯片來(lái)看，有可以?huà)?2、64、128、256等不同個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器。

3、RS485有兩線(xiàn)制和四線(xiàn)制，四線(xiàn)制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)很少采用。兩線(xiàn)制這種接線(xiàn)方式為總線(xiàn)式拓樸結(jié)構(gòu)，在同一總線(xiàn)上最多可以?huà)旖?2個(gè)結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。

4、很多情況下，連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線(xiàn)將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有兩個(gè)原因：

（1）共模干擾問(wèn)題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線(xiàn)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(mǎn)足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

（2）EMI問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線(xiàn)就會(huì)像一個(gè)巨大的天線(xiàn)向外輻射電磁波。

5、由于PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，以下方法可以得到PC上位機(jī)的RS485電路：

（1）通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，對(duì)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的產(chǎn)品。

（2）通過(guò)PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號(hào)為RS485類(lèi)型的擴(kuò)展卡。

三/ 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(yǔ)言。通過(guò)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。

4、很多情況下，連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線(xiàn)將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有兩個(gè)原因：

（1）共模干擾問(wèn)題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線(xiàn)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(mǎn)足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

（2）EMI問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線(xiàn)就會(huì)像一個(gè)巨大的天線(xiàn)向外輻射電磁波。

5、由于PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，以下方法可以得到PC上位機(jī)的RS485電路：

（1）通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，對(duì)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的產(chǎn)品。

（2）通過(guò)PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號(hào)為RS485類(lèi)型的擴(kuò)展卡。

三/ 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(yǔ)言。通過(guò)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(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，描述了一控制器請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

1、Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

（1）標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放，用戶(hù)可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過(guò)400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過(guò)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(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)等。

（3）Modbus的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂。用戶(hù)使用容易，廠商開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。

2、Modbus 寄存器種類(lèi)說(shuō)明

（1） 線(xiàn)圈狀態(tài)：輸出端口，可設(shè)定端口的輸出狀態(tài)，也可以讀取該位的輸出狀態(tài)

（2）離散輸入狀態(tài)：輸入端口，通過(guò)外部設(shè)定改變輸入狀態(tài)，可讀但不可寫(xiě)

（3）保持寄存器：控制器運(yùn)行時(shí)被設(shè)定的某些參數(shù)，可讀可寫(xiě)

（4）輸入寄存器：控制器運(yùn)行時(shí)從外部設(shè)備獲得的某些參數(shù)，可讀不可寫(xiě)

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