RS485通信和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几十米，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，最大距离可以到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，本节课我们要讲解一下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485通信模块。18.1RS485通信实际上在RS485之前RS232就已经诞生，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，容易损坏接口电路的芯片，而且和TTL电平不兼容，因此和单片机电路接起来的话必须加转换电路。2、传输速率有局限，不可以过高，一般到几十Kb/s就到极限了。3、接口使用信号线和GND与其他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，他具备以下的特点：1、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。尤其工业现场的环境比较复杂，干扰比较多，所以通信如果采用的是差分方式，就可以有效的抑制共模干扰。而RS485就是一种差分通信方式，它的通信线路是两根，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通信速度快，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，但是他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。RS485的接口非常简单，和RS232所使用的MAX232是类似的，只需要一个RS485转换器，就可以直接和我们单片机的UART串行接口连接起来，并且完全使用的是和UART一致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类的芯片很多，这节课我们以MAX485为例讲解RS485通信，如图18-1所示。图18-1MAX485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485通信中的A和B两个引脚，而1脚和4脚分别接到我们单片机的RXD和TXD引脚上，直接使用单片机UART进行数据接收和发送。而2脚和3脚就是方向引脚了，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的抗干扰性能，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我们的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口不是所有的IO口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口以外的其他29个IO口，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，板子上的相应的功能就实现不了了，也就是说需要扩展功能和板载功能二选一。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485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章的实用串口通信的方法和程序后，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485设置为接收状态，只有在发送数据的时候才将485改为发送状态，所以在UartWrite()函数开头将485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：当紧接这向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485方向引脚拉低以使485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，这是人为的增加了延时50us，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*************************/#includereg52.h#includeintrins.hsbitRS485_DIR=P1^7;//RS485方向选择引脚bitflagOnceTxd=0;//单次发送完成标志，即发送完一个字节bitcmdArrived=0;//命令到达标志，即接收到上位机下发的命令unsignedcharcntRxd=0;unsignedcharpdatabufRxd[40];//串口接收缓冲区voidConfigUART(unsignedintbaud)//串口配置函数，baud为波特率{RS485_DIR=0;//RS485设置为接收方向SCON=0x50;//配置串口为模式1TMOD&=0x0F;//清零T1的控制位TMOD|=0x20;//配置T1为模式2TH1=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}unsignedcharUartRead(unsignedchar*buf,unsignedcharlen)//串口数据读取函数，数据接收指针buf，读取数据长度len，返回值为实际读取到的数据长度{unsignedchari;if(lencntRxd)//读取长度大于接收到的数据长度时，{len=cntRxd;//读取长度设置为实际接收到的数据长度}for(i=0;ilen;i++)//拷贝接收到的数据{*buf=bufRxd[i];buf++;}cntRxd=0;//清零接收计数器returnlen;//返回实际读取长度}voidDelayX10us(unsignedchart)//软件延时函数，延时时间(t*10)us{do{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}while(--t);}voidUartWrite(unsignedchar*buf,unsignedcharlen)//串口数据写入函数，即串口发送函数，待发送数据指针buf，数据长度len{RS485_DIR=1;//RS485设置为发送while(len--)//发送数据{flagOnceTxd=0;SBUF=*buf;buf++;while(!flagOnceTxd);}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}voidUartDriver()//串口驱动函数，检测接收到的命令并执行相应动作{unsignedcharlen;unsignedcharbuf[30];if(cmdArrived)//有命令到达时，读取处理该命令{cmdArrived=0;len=UartRead(buf,sizeof(buf)-2);//将接收到的命令读取到缓冲区中buf[len++]='\r';//在接收到的数据帧后添加换车换行符后发回buf[len++]='\n';UartWrite(buf,len);}}voidUartRxMonitor(unsignedcharms)//串口接收监控函数{staticunsignedcharcntbkp=0;staticunsignedcharidletmr=0;if(cntRxd0)//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{if(idletmr30)//接收计数器未改变，即总线空闲时，累积空闲时间{idletmr+=ms;if(idletmr=30)//空闲时间超过30ms即认为一帧命令接收完毕{cmdArrived=1;//设置命令到达标志}}}}else{cntbkp=0;}}voidInterruptUART()interrupt4//UART中断服务函数{if(RI)//接收到字节{RI=0;//手动清零接收中断标志位if(cntRxdsizeof(bufRxd))//接收缓冲区尚未用完时，{bufRxd[cntRxd++]=SBUF;//保存接收字节，并递增计数器}}if(TI)//字节发送完毕{TI=0;//手动清零发送中断标志位flagOnceTxd=1;//设置单次发送完成标志}}/***********************main.c文件程序源代码*************************/#includereg52.hunsignedcharT0RH=0;//T0重载值的高字节unsignedcharT0RL=0;//T0重载值的低字节voidConfigTimer0(unsignedintms);externvoi