RS485與Modbus通信協(xié)議

在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域，數(shù)據(jù)交換通常依賴于串口通信。最初，RS232接口是主流選擇，然而，由于工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，各種電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾可能導(dǎo)致信號傳輸錯(cuò)誤。

1979年，電氣設(shè)計(jì)并推出了一個(gè)專為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計(jì)的總線協(xié)議，即Modbus協(xié)議。現(xiàn)在，許多采用RS485通信的工業(yè)場合都傾向于使用Modbus協(xié)議。在工業(yè)領(lǐng)域中，當(dāng)涉及到RS485通信時(shí)，Modbus協(xié)議得到了廣泛應(yīng)用。接下來，我們將對RS485通信和Modbus通信協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、 RS485通信

1、在RS485之前，RS232已經(jīng)問世，但RS232存在一些局限性：

1）其接口信號電平值較高，可能損壞接口電路的芯片，且與TTL電平不兼容，需要額外的轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)電路連接。

2）RS232的共地模式通信方式容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能較弱。

3）其傳輸距離和速率均有限，最遠(yuǎn)只能達(dá)到幾十米，且僅支持兩點(diǎn)之間的通信，無法實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

2、為了克服RS232的局限性，RS485等新型接口標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。RS485具有以下特點(diǎn)：

1）邏輯“1"以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示，邏輯“0"則以-（2—6）V表示。其接口信號電平較RS232低，更不易損壞電路芯片，且兼容TTL電平，方便與TTL電路連接。

2）RS485通信速度快，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)10Mbps以上。其內(nèi)部采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，顯著提高了抗干擾能力。

3）其傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1200米左右，但傳輸速率與傳輸距離成反比。在100KB/s以下的傳輸速率下，才能實(shí)現(xiàn)最大的通信距離。若需傳輸更遠(yuǎn)距離，可使用中繼器。

4）RS485支持多機(jī)通信，總線上可掛載多個(gè)收發(fā)器。根據(jù)現(xiàn)有RS485芯片，可掛載的設(shè)備數(shù)量有所不同，如32、64、128、256等。

3、RS485分為兩線制和四線制。四線制僅支持點(diǎn)對點(diǎn)通信，現(xiàn)已較少使用。兩線制為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同一總線上最多可掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中，通常采用主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。

4、在連接RS-485通信鏈路時(shí)，有時(shí)僅簡單地將各接口的“A"、“B"端用雙絞線連接，而忽略了信號地的連接。這種連接方式雖在某些場合能正常工作，但存在隱患。原因有二：

1）共模干擾問題：RS-485接口采用差分傳輸方式，無需參照點(diǎn)檢測信號。但收發(fā)器有一定的共模電壓范圍（-7～+12V）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中的共模電壓超出此范圍時(shí)，將影響通信穩(wěn)定性甚至損壞接口。

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(gè)低阻返回通道。若無此通道（信號地），信號將以輻射形式返回源端，導(dǎo)致總線向外輻射電磁波。

5、由于PC機(jī)默認(rèn)僅配備RS232接口，可通過以下方法實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)的RS485電路：

1）使用RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號轉(zhuǎn)換為RS485信號。對于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，建議選擇具有防浪涌和隔離功能的產(chǎn)品。

2）通過PCI多串口卡，選擇輸出信號為RS485類型的擴(kuò)展卡。

二、Modbus通信協(xié)議

Modbus功能碼是Modbus通信協(xié)議中用于指示設(shè)備執(zhí)行何種操作的一組指令代碼。它們允許主設(shè)備（通常是計(jì)算機(jī)或PLC）與從設(shè)備（例如傳感器、執(zhí)行器等）進(jìn)行通信，以讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

功能碼可以大致分為位操作和字節(jié)操作兩類。位操作的最小單位是Bit，通常用于控制如開關(guān)狀態(tài)等單個(gè)位的操作。字節(jié)操作的最小單位是2個(gè)字節(jié)（Byte），常用于讀取或?qū)懭攵嘧止?jié)數(shù)據(jù)，如寄存器值等。

以下是一些常見的Modbus功能碼及其描述：

位操作指令：

01H：讀線圈狀態(tài)（Read Coils Status）

02H：讀離散輸入狀態(tài)（Read Discrete Inputs Status）

05H：寫單個(gè)線圈（Write Single Coil）

0FH：寫多個(gè)線圈（Write Multiple Coils）

字節(jié)操作指令：

03H：讀保持寄存器（Read Holding Registers）

用于從從設(shè)備讀取一個(gè)或多個(gè)保持寄存器的值。保持寄存器通常用于存儲設(shè)備的參數(shù)或狀態(tài)信息。

04H：讀輸入寄存器（Read Input Registers）

用于從從設(shè)備讀取一個(gè)或多個(gè)輸入寄存器的值。輸入寄存器通常用于存儲從外部設(shè)備（如傳感器）讀取的數(shù)據(jù)。

06H：寫單個(gè)保持寄存器（Write Single Holding Register）

用于向從設(shè)備的單個(gè)保持寄存器寫入一個(gè)值。

10H：寫多個(gè)保持寄存器（Write Multiple Holding Registers）

用于向從設(shè)備的多個(gè)連續(xù)保持寄存器寫入值。這通常用于設(shè)置設(shè)備的參數(shù)或狀態(tài)。請注意，上述功能碼是十六進(jìn)制表示，并且以“H"后綴表示。在實(shí)際通信中，這些功能碼會被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式進(jìn)行傳輸。

此外，還有其他一些功能碼，如用于診斷或特定應(yīng)用的功能碼。這些功能碼的具體用法和含義可能因設(shè)備制造商而異，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要參考設(shè)備的文檔或手冊。