RS485通信与Modbus协议
2014-07-27 14:28
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RS485通信与Modbus协议
在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域,通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。最初采用的方式是RS232接口,由于工业现场比较复杂,各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰,会导致信号传输错误。除此之外,RS232接口只能实现点对点通信,不具备联网功能,最大传输距离也只能达到十几米,不能满足远距离通信要求。而RS485则解决了这些问题,数据信号采用差分传输方式,可以有效的解决共模干扰问题,最大距离可达1200米,并且允许多个收发设备接到同一条总线上。随着工业应用通信越来越多,1979年施耐德电气制定了一个用于工业现场的总线协议Modbus协议,现在工业中使用RS485通信场合很多都采用Modbus协议,本节课我们就来讲解一下RS485通信和Modbus协议。单单使用一块KST-51开发板是不能够进行RS485实验的,应很多同学的要求,把这节课作为扩展课程讲一下,如果要做本课相关实验,需要自行购买USB转RS485通信模块,或连接其它的RS485主控设备进行。
1.1 RS485通信
RS232标准是诞生于RS485之前的,但是RS232有几处不足的地方:1、接口的信号电平值较高,达到十几V,使用不当容易损坏接口芯片,电平标准也与TTL电平不兼容。
2、传输速率有局限,不可以过高,一般到一两百千比特每秒(Kb/s)就到极限了。
3、接口使用信号线和GND与其它设备形成共地模式的通信,这种共地模式传输容易产生干扰,并且抗干扰性能也比较弱。
4、传输距离有限,最多只能通信几十米。
5、通信的时候只能两点之间进行通信,不能够实现多机联网通信。
针对RS232接口的不足,就不断出现了一些新的接口标准,RS485就是其中之一,它具备以下的特点:
1、采用差分信号。我们在讲A/D的时候,讲过差分信号输入的概念,同时也介绍了差分输入的好处,最大的优势是可以抑制共模干扰。尤其当工业现场环境比较复杂,干扰比较多时,采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485采用两根通信线,通常用A和B或者D+和D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V表示,逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V来表示,是一种典型的差分通信。
2、RS485通信速率快,最大传输速度可以达到10Mb/s以上。
3、RS485内部的物理结构,采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合,抗干扰能力也大大增加。
4、传输距离最远可以达到1200米左右,但是它的传输速率和传输距离是成反比的,只有在100Kb/s以下的传输速度,才能达到最大的通信距离,如果需要传输更远距离可以使用中继。
5、可以在总线上进行联网实现多机通信,总线上允许挂多个收发器,从现有的RS485芯片来看,有可以挂32、64、128、256等不同个设备的驱动器。
6、RS485的接口非常简单,与RS232所使用的MAX232是类似的,只需要一个RS485转换器,就可以直接与单片机的UART串口连接起来,并且使用完全相同的异步串行通信协议。但是由于RS485是差分通信,因此接收数据和发送数据是不能同时进行的,也就是说它是一种半双工通信。那我们如何判断什么时候发送,什么时候接收呢?
RS485转换芯片很多,这节课我们以典型的MAX485为例讲解RS485通信,如图18-1所示。
图18-1 MAX485硬件接口
MAX485是美信(Maxim)推出的一款常用RS485转换器。其中5脚和8脚是电源引脚;6脚和7脚就是RS485通信中的A和B两个引脚;1脚和4脚分别接到单片机的RXD和TXD引脚上,直接使用单片机UART进行数据接收和发送;2脚和3脚是方向引脚,其中2脚是低电平使能接收器,3脚是高电平使能输出驱动器,我们把这两个引脚连到一起,平时不发送数据的时候,保持这两个引脚是低电平,让MAX485处于接收状态,当需要发送数据的时候,把这个引脚拉高,发送数据,发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高RS485的抗干扰能力,需要在靠近MAX485的A和B引脚之间并接一个电阻,这个电阻阻值从100欧到1K都是可以。
在这里我们还要介绍一下如何使用KST-51单片机开发板进行外围扩展实验。我们的开发板只能把基本的功能给同学们做出来提供实验练习,但是同学们学习的脚步不应该停留在这个实验板上。如果想进行更多的实验,就可以通过单片机开发板的扩展接口进行扩展实验。大家可以看到蓝绿色的单片机座周围有32个插针,这32个插针就是把单片机的32个IO引脚全部都引出来了。在原理图上体现出来的就是J4、J5、J6、J7这4个器件,如图18-2所示。
图18-2 单片机扩展接口
这32个IO口中并不是所有的都可以用来对外扩展,其中既作为数据输出,又可以作为数据输入的引脚是不可以用的,比如P3.2、P3.4、P3.6引脚,这三个引脚是不可用的。比如P3.2这个引脚,如果我们用来扩展,发送的信号如果和DS18B20的时序吻合,会导致DS18B20拉低引脚,影响通信。除这3个IO口以外的其它29个,都可以使用杜邦线接上插针,扩展出来使用。当然了,如果把当前的IO口应用于扩展功能了,板子上的相应功能就实现不了了,也就是说需要扩展功能和板载功能之间二选一。
在进行RS485实验中,我们通信用的引脚必须是P3.0和P3.1,此外还有一个方向控制引脚,我们使用杜邦线将其连接到P1.7上去。RS485的另外一端,大家可以使用一个USB转RS485模块,用双绞线把开发板和模块上的A和B分别对应连起来,USB那头插入电脑,然后就可以进行通信了。
学习了第13章实用的串口通信方法和程序后,做这种串口通信的方法就很简单了,基本是一致的。我们使用实用串口通信例程的思路,做了一个简单的程序,通过串口调试助手下发任意个字符,单片机接收到后在末尾添加“回车+换行”符后再送回,在调试助手上重新显示出来,先把程序贴出来。
程序中需要注意的一点是:因为平常都是将MAX485设置为接收状态,只有在发送数据的时候才将MAX485改为发送状态,所以在UartWrite()函数开头将MAX485方向引脚拉高,函数退出前再拉低。但是这里有一个细节,就是单片机的发送和接收中断产生的时刻都是在停止位的一半上,也就是说每当停止位传送了一半的时候,RI或TI就已经置位并且马上进入中断(如果中断使能的话)函数了,接收的时候自然不会存在问题,但发送的时候就不一样了:当紧接着向SBUF写入一个字节数据时,UART硬件会在完成上一个停止位的发送后,再开始新字节的发送,但如果此时不是继续发送下一个字节,而是已经发送完毕了,要停止发送并将MAX485方向引脚拉低以使MAX485重新处于接收状态时就有问题了,因为这时候最后的这个停止位实际只发送了一半,还没有完全完成,所以就有了UartWrite()函数内DelayX10us(5)这个操作,这是人为的增加了50us的延时,这50us的时间正好让剩下的一半停止位完成,那么这个时间自然就是由通信波特率决定的了,为波特率周期的一半。
/****************************RS485.c文件程序源代码*****************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485方向选择引脚
bit flagFrame = 0; //帧接收完成标志,即接收到一帧新数据
bit flagTxd = 0; //单字节发送完成标志,用来替代TXD中断标志位
unsigned char cntRxd = 0; //接收字节计数器
unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字节缓冲区
extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);
/* 串口配置函数,baud-通信波特率 */
void ConfigUART(unsigned int baud)
{
RS485_DIR = 0; //RS485设置为接收方向
SCON = 0x50; //配置串口为模式1
TMOD &= 0x0F; //清零T1的控制位
TMOD |= 0x20; //配置T1为模式2
TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算T1重载值
TL1 = TH1; //初值等于重载值
ET1 = 0; //禁止T1中断
ES = 1; //使能串口中断
TR1 = 1; //启动T1
}
/* 软件延时函数,延时时间(t*10)us */
void DelayX10us(unsigned char t)
{
do {
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
} while (--t);
}
/* 串口数据写入,即串口发送函数,buf-待发送数据的指针,len-指定的发送长度 */
void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len)
{
RS485_DIR = 1; //RS485设置为发送
while (len--) //循环发送所有字节
{
flagTxd = 0; //清零发送标志
SBUF = *buf++; //发送一个字节数据
while (!flagTxd); //等待该字节发送完成
}
DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成,延时时间由波特率决定
RS485_DIR = 0; //RS485设置为接收
}
/* 串口数据读取函数,buf-接收指针,len-指定的读取长度,返回值-实际读到的长度 */
unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len)
{
unsigned char i;
if (len > cntRxd) //指定读取长度大于实际接收到的数据长度时,
{ //读取长度设置为实际接收到的数据长度
len = cntRxd;
}
for (i=0; i<len; i++) //拷贝接收到的数据到接收指针上
{
*buf++ = bufRxd[i];
}
cntRxd = 0; //接收计数器清零
return len; //返回实际读取长度
}
/* 串口接收监控,由空闲时间判定帧结束,需在定时中断中调用,ms-定时间隔 */
void UartRxMonitor(unsigned char ms)
{
static unsigned char cntbkp = 0;
static unsigned char idletmr = 0;
if (cntRxd > 0) //接收计数器大于零时,监控总线空闲时间
{
if (cntbkp != cntRxd) //接收计数器改变,即刚接收到数据时,清零空闲计时
{
cntbkp = cntRxd;
idletmr = 0;
}
else //接收计数器未改变,即总线空闲时,累积空闲时间
{
if (idletmr < 30) //空闲计时小于30ms时,持续累加
{
idletmr += ms;
if (idletmr >= 30) //空闲时间达到30ms时,即判定为一帧接收完毕
{
flagFrame = 1; //设置帧接收完成标志
}
}
}
}
else
{
cntbkp = 0;
}
}
/* 串口驱动函数,监测数据帧的接收,调度功能函数,需在主循环中调用 */
void UartDriver()
{
unsigned char len;
unsigned char pdata buf[40];
if (flagFrame) //有命令到达时,读取处理该命令
{
flagFrame = 0;
len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //将接收到的命令读取到缓冲区中
UartAction(buf, len); //传递数据帧,调用动作执行函数
}
}
/* 串口中断服务函数 */
void InterruptUART() interrupt 4
{
if (RI) //接收到新字节
{
RI = 0; //清零接收中断标志位
if (cntRxd < sizeof(bufRxd)) //接收缓冲区尚未用完时,
{ //保存接收字节,并递增计数器
bufRxd[cntRxd++] = SBUF;
}
}
if (TI) //字节发送完毕
{
TI = 0; //清零发送中断标志位
flagTxd = 1; //设置字节发送完成标志
}
}
/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
unsigned char T0RH = 0; //T0重载值的高字节
unsigned char T0RL = 0; //T0重载值的低字节
void ConfigTimer0(unsigned int ms);
extern void UartDriver();
extern void ConfigUART(unsigned int baud);
extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);
extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);
void main()
{
EA = 1; //开总中断
ConfigTimer0(1); //配置T0定时1ms
ConfigUART(9600); //配置波特率为9600
while (1)
{
UartDriver(); //调用串口驱动
}
}
/* 串口动作函数,根据接收到的命令帧执行响应的动作
buf-接收到的命令帧指针,len-命令帧长度 */
void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len)
{
//在接收到的数据帧后添加换车换行符后发回
buf[len++] = 'r';
buf[len++] = 'n';
UartWrite(buf, len);
}
/* 配置并启动T0,ms-T0定时时间 */
void ConfigTimer0(unsigned int ms)
{
unsigned long tmp; //临时变量
tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值
tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值
tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差
T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节
T0RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位
TMOD |= 0x01; //配置T0为模式1
TH0 = T0RH; //加载T0重载值
TL0 = T0RL;
ET0 = 1; //使能T0中断
TR0 = 1; //启动T0
}
/* T0中断服务函数,执行串口接收监控 */
void InterruptTimer0() interrupt 1
{
TH0 = T0RH; //重新加载重载值
TL0 = T0RL;
UartRxMonitor(1); //串口接收监控
}
现在看这种串口程序,是不是感觉很简单了呢?串口通信程序我们反反复复的使用,加上随着学习的模块越来越多,实践的越来越多,原先感觉很复杂的东西,现在就会感到简单了。从设备管理器里可以查看所有的COM口号,我们下载程序用的是COM4,而USB转RS485虚拟的是COM5,通信的时候我们用的是COM5口,如图18-3所示。
图18-3 RS485通信试验设置和结果
1.2 Modbus通信协议介绍
我们前边学习UART、I2C、SPI这些通信协议,都是最底层的协议,是“位”级别的协议。而我们在学习13章做实用串口通信程序的时候,我们通过串口发给单片机三条指令,让单片机做了三件不同的事情,分别是“buzz on”、“buzz off”和“showstr”。随着系统复杂性的增加,我们希望可以实现更多的指令。而指令越来越多,带来的后果就是非常杂乱无章,尤其是这个人喜欢写成“buzz on”、“buzz off”,而另外一个人喜欢写成“on buzz”、“off buzz”。导致不同开发人员写出来的程序代码不兼容,不同厂家的产品不能挂到一条总线上通信。随着这种矛盾的日益严重,就会有聪明人提出更合理的解决方案,提出一些标准来,今后我们的编程必须按照这个标准来,这种标准也是一种通信协议,但是和UART、I2C、SPI通信协议不同的是,这种通信协议是字节级别的,叫做应用层通信协议。在1979年由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)提出了全球第一个真正用于工业现场总线的协议,就是Modbus协议。
1.2.1 Modbus协议特点
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信,已经成为一种工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。这种协议定义了一种控制器能够认识使用的数据结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误记录,它制定了通信数据的格局和内容的公共格式。在进行多机通信的时候,Modbus协议规定每个控制器必须要知道它们的设备地址,识别按照地址发送过来的数据,决定是否要产生动作,产生何种动作,如果要回应,控制器将生成的反馈信息用Modbus协议发出。
Modbus协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信,每种设备(PLC、人机界面、控制面板、驱动程序、输入输出设备等)都能使用Modbus协议来启动远程操作,一些网关允许在几种使用Modbus协议的总线或网络之间的通信,如图18-4所示。
图18-4 Modbus网络体系结构实例
Modbus协议的整体架构和格式比较复杂和庞大,在我们的课程里,我们重点介绍数据帧结构和数据通信控制方式,作为一个入门级别的了解。如果大家要详细了解,或者使用Modbus开发相关设备,可以查阅相关的国标文件再进行深入学习。
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