RS485 通信與 Modbus 協議

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資料交換，最初采用的方式是 RS232 介面，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，除此之外，RS232 介面只能實作點對點通信，不具備聯網功能，最大傳輸距離也只能達到十幾米，不能滿足遠距離通信要求，而 RS485 則解決了這些問題，資料信號采用差分傳輸方式，可以有效的解決共模干擾問題，最大距離可達1200米，并且允許多個收發設備接到同一條總線上，隨著工業應用通信越來越多，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，本節課我們就來講解一下 RS485 通信和 Modbus 協議，

單片機 RS485 通信介面、控制線、原理圖及程式實體

RS232 標準是誕生于 RS485 之前的，但是 RS232 有幾處不足的地方：

• 介面的信號電平值較高，達到十幾 V，使用不當容易損壞介面芯片，電平標準也與 TTL 電平不兼容，
• 傳輸速率有局限，不可以過高，一般到一兩百千位元每秒(Kb/s)就到極限了，
• 介面使用信號線和 GND 與其它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，
• 傳輸距離有限，最多只能通信幾十米，
• 通信的時候只能兩點之間進行通信，不能夠實作多機聯網通信，

針對 RS232 介面的不足，就不斷出現了一些新的介面標準，RS485 就是其中之一，它具備以下的特點：

• 采用差分信號，我們在講 A/D 的時候，講過差分信號輸入的概念，同時也介紹了差分輸入的好處，最大的優勢是可以抑制共模干擾，尤其當工業現場環境比較復雜，干擾比較多時，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性，RS485 采用兩根通信線，通常用 A 和 B 或者 D+ 和 D- 來表示，邏輯“1”以兩線之間的電壓差為 +(0.2~6)V 表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為 -(0.2~6)V 來表示，是一種典型的差分通信，
• RS485 通信速率快，最大傳輸速度可以達到 10 Mb/s 以上，
• RS485 內部的物理結構，采用的是平衡驅動器和差分接收器的組合，抗干擾能力也大大增加，
• 傳輸距離最遠可以達到1200米左右，但是它的傳輸速率和傳輸距離是成反比的，只有在 100 Kb/s 以下的傳輸速度，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，
• 可以在總線上進行聯網實作多機通信，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 的介面非常簡單，與 RS232 所使用的 MAX232 是類似的，只需要一個 RS485 轉換器，就可以直接與單片機的 UART 串口連接起來，并且使用完全相同的異步串行通信協議，但是由于 RS485 是差分通信，因此接收資料和發送資料是不能同時進行的，也就是說它是一種半雙工通信，那我們如何判斷什么時候發送，什么時候接收呢？

RS485 轉換芯片很多，這節課我們以典型的 MAX485 為例講解 RS485 通信，

MAX485 是美信(Maxim)推出的一款常用 RS485 轉換器，其中5腳和8腳是電源引腳；6腳和7腳就是 RS485 通信中的 A 和 B 兩個引腳；1腳和4腳分別接到單片機的 RXD 和 TXD 引腳上，直接使用單片機 UART 進行資料接收和發送；2腳和3腳是方向引腳，其中2腳是低電平使能接收器，3腳是高電平使能輸出驅動器，我們把這兩個引腳連到一起，平時不發送資料的時候，保持這兩個引腳是低電平，讓 MAX485 處于接收狀態，當需要發送資料的時候，把這個引腳拉高，發送資料，發送完畢后再拉低這個引腳就可以了，為了提高 RS485 的抗干擾能力，需要在靠近 MAX485 的 A 和 B 引腳之間并接一個電阻，這個電阻阻值從100歐到 1 K 都是可以，

在這里我們還要介紹一下如何使用 KST-51 單片機開發板進行外圍擴展實驗，我們的開發板只能把基本的功能給同學們做出來提供實驗練習，但是同學們學習的腳步不應該停留在這個實驗板上，如果想進行更多的實驗，就可以通過單片機開發板的擴展介面進行擴展實驗，大家可以看到藍綠色的單片機座周圍有32個插針，這32個插針就是把單片機的32個 IO 引腳全部都引出來了，在原理圖上體現出來的就是 J4、J5、J6、J7 這4個器件

這32個 IO 口中并不是所有的都可以用來對外擴展，其中既作為資料輸出，又可以作為資料輸入的引腳是不可以用的，比如 P3.2、P3.4、P3.6 引腳，這三個引腳是不可用的，比如 P3.2 這個引腳，如果我們用來擴展，發送的信號如果和 DS18B20 的時序吻合，會導致 DS18B20 拉低引腳，影響通信，除這3個 IO 口以外的其它29個，都可以使用杜邦線接上插針，擴展出來使用，當然了，如果把當前的 IO 口應用于擴展功能了，板子上的相應功能就實作不了了，也就是說需要擴展功能和板載功能之間二選一，

在進行 RS485 實驗中，我們通信用的引腳必須是 P3.0 和 P3.1，此外還有一個方向控制引腳，我們使用杜邦線將其連接到 P1.7 上去，RS485 的另外一端，大家可以使用一個 USB 轉 RS485 模塊，用雙絞線把開發板和模塊上的 A 和 B 分別對應連起來，USB 那頭插入電腦，然后就可以進行通信了，

學習了第13章實用的串口通信方法和程式后，做這種串口通信的方法就很簡單了，基本是一致的，我們使用實用串口通信例程的思路，做了一個簡單的程式，通過串口除錯助手下發任意個字符，單片機接收到后在末尾添加“回車+換行”符后再送回，在除錯助手上重新顯示出來，先把程式貼出來，

程式中需要注意的一點是：因為平常都是將 MAX485 設定為接收狀態，只有在發送資料的時候才將 MAX485 改為發送狀態，所以在 UartWrite()函式開頭將 MAX485 方向引腳拉高，函式退出前再拉低，但是這里有一個細節，就是單片機的發送和接收中斷產生的時刻都是在停止位的一半上，也就是說每當停止位傳送了一半的時候，RI 或 TI 就已經置位并且馬上進入中斷（如果中斷使能的話）函式了，接收的時候自然不會存在問題，但發送的時候就不一樣了：當緊接著向 SBUF 寫入一個位元組資料時，UART 硬體會在完成上一個停止位的發送后，再開始新位元組的發送，但如果此時不是繼續發送下一個位元組，而是已經發送完畢了，要停止發送并將 MAX485 方向引腳拉低以使 MAX485 重新處于接收狀態時就有問題了，因為這時候最后的這個停止位實際只發送了一半，還沒有完全完成，所以就有了 UartWrite()函式內 DelayX10us(5)這個操作，這是人為的增加了 50 us 的延時，這 50 us 的時間正好讓剩下的一半停止位完成，那么這個時間自然就是由通信波特率決定的了，為波特率周期的一半，

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向選擇引腳
bit flagFrame = 0; //幀接收完成標志，即接收到一幀新資料
bit flagTxd = 0; //單位元組發送完成標志，用來替代 TXD 中斷標志位
unsigned char cntRxd = 0; //接收位元組計數器
unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收位元組緩沖區

extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);

/* 串口配置函式，baud-通信波特率 */
void ConfigUART(unsigned int baud){
    RS485_DIR = 0; //RS485 設定為接收方向
    SCON = 0x50; //配置串口為模式 1
    TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
    TMOD |= 0x20; //配置 T1 為模式 2
    TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //計算 T1 多載值
    TL1 = TH1; //初值等于多載值
    ET1 = 0; //禁止 T1 中斷
    ES = 1; //使能串口中斷
    TR1 = 1; //啟動 T1
}
/* 軟體延時函式，延時時間(t*10)us */
void DelayX10us(unsigned char t){
    do {
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
        _nop_();
    } while (--t);
}
/* 串口資料寫入，即串口發送函式，buf-待發送資料的指標，len-指定的發送長度 */
void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){
    RS485_DIR = 1; //RS485 設定為發送

    while (len--){ //回圈發送所有位元組
        flagTxd = 0; //清零發送標志
        SBUF = *buf++; //發送一個位元組資料
        while (!flagTxd); //等待該位元組發送完成
    }
    DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成，延時時間由波特率決定
    RS485_DIR = 0; //RS485 設定為接收
}
/* 串口資料讀取函式，buf-接收指標，len-指定的讀取長度，回傳值-實際讀到的長度 */
unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){
    unsigned char i;
    //指定讀取長度大于實際接收到的資料長度時，
    //讀取長度設定為實際接收到的資料長度
    if (len > cntRxd){
        len = cntRxd;
    }
    for (i=0; i<len; i++){ //拷貝接收到的資料到接收指標上
        *buf++ = bufRxd[i];
    }
    cntRxd = 0; //接收計數器清零
    return len; //回傳實際讀取長度
}
/* 串口接收監控，由空閑時間判定幀結束，需在定時中斷中呼叫，ms-定時間隔 */
void UartRxMonitor(unsigned char ms){
    static unsigned char cntbkp = 0;
    static unsigned char idletmr = 0;

    if (cntRxd > 0){ //接收計數器大于零時，監控總線空閑時間
        if (cntbkp != cntRxd){ //接收計數器改變，即剛接收到資料時，清零空閑計時
            cntbkp = cntRxd;
            idletmr = 0;
        }else{ //接收計數器未改變，即總線空閑時，累積空閑時間
            if (idletmr < 30){ //空閑計時小于 30ms 時，持續累加
                idletmr += ms;
                if (idletmr >= 30){ //空閑時間達到 30ms 時，即判定為一幀接收完畢
                    flagFrame = 1; //設定幀接收完成標志
                }
            }
        }
    }else{
        cntbkp = 0;
    }
}
/* 串口驅動函式，監測資料幀的接收，調度功能函式，需在主回圈中呼叫 */
void UartDriver(){
    unsigned char len;
    unsigned char pdata buf[40];

    if (flagFrame){ //有命令到達時，讀取處理該命令
        flagFrame = 0;
        len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //將接收到的命令讀取到緩沖區中
        UartAction(buf, len); //傳遞資料幀，呼叫動作執行函式
    }
}
/* 串口中斷服務函式 */
void InterruptUART() interrupt 4{
    if (RI){ //接收到新位元組
        RI = 0; //清零接收中斷標志位
        //接識訓沖區尚未用完時，保存接收位元組，并遞增計數器
        if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){
            bufRxd[cntRxd++] = SBUF;
        }
    }
    if (TI){ //位元組發送完畢
        TI = 0; //清零發送中斷標志位
        flagTxd = 1; //設定位元組發送完成標志
    }
}

現在看這種串口程式，是不是感覺很簡單了呢？串口通信程式我們反反復復的使用，加上隨著學習的模塊越來越多，實踐的越來越多，原先感覺很復雜的東西，現在就會感到簡單了，從設備管理器里可以查看所有的 COM 口號，我們下載程式用的是 COM4，而 USB 轉 RS485 虛擬的是 COM5，通信的時候我們用的是 COM5 口，如圖