手把手教你學51單片機之十八 RS485通信與Modbus協(xié)議

在工業(yè)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)場比較復雜，各種電氣設備會在環(huán)境中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實現(xiàn)點對點通信，不具備聯(lián)網(wǎng)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，數(shù)據(jù)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(fā)設備接到同一條總線上。隨著工業(yè)應用通信越來越多，1979年施耐德電氣制定了一個用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議Modbus協(xié)議，現(xiàn)在工業(yè)中使用RS485通信場合很多都采用Modbus協(xié)議，本節(jié)課我們就來講解一下RS485通信和Modbus協(xié)議。

單單使用一塊KST-51開發(fā)板是不能夠進行RS485實驗的，應很多同學的要求，把這節(jié)課作為擴展課程講一下，如果要做本課相關實驗，需要自行購買USB轉RS485通信模塊，或連接其它的RS485主控設備進行。

1.1RS485通信

RS232標準是誕生于RS485之前的，但是RS232有幾處不足的地方：

1、接口的信號電平值較高，達到十幾V，使用不當容易損壞接口芯片，電平標準也與TTL電平不兼容。

2、傳輸速率有局限，不可以過高，一般到一兩百千比特每秒(Kb/s)就到極限了。

3、接口使用信號線和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(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。

4、傳輸距離有限，最多只能通信幾十米。

5、通信的時候只能兩點之間進行通信，不能夠實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)通信。

針對RS232接口的不足，就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標準，RS485就是其中之一，它具備以下的特點：

1、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(yōu)勢是可以抑制共模干擾。尤其當工業(yè)現(xiàn)場環(huán)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。

2、RS485通信速率快，最大傳輸速度可以達到10Mb/s以上。

3、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。

4、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100Kb/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。

5、可以在總線上進行聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多機通信，總線上允許掛多個收發(fā)器，從現(xiàn)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。

6、RS485的接口非常簡單，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(xié)議。但是由于RS485是差分通信，因此接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送，什么時候接收呢？

RS485轉換芯片很多，這節(jié)課我們以典型的MAX485為例講解RS485通信，如圖18-1所示。

圖18-1MAX485硬件接口

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進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)的時候，保持這兩個引腳是低電平，讓MAX485處于接收狀態(tài)，當需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，把這個引腳拉高，發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)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1K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(fā)板進行外圍擴展實驗。我們的開發(fā)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(fā)板的擴展接口進行擴展實驗。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(xiàn)出來的就是J4、J5、J6、J7這4個器件，如圖18-2所示。

圖18-2單片機擴展接口

這32個IO口中并不是所有的都可以用來對外擴展，其中既作為數(shù)據(jù)輸出，又可以作為數(shù)據(jù)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(fā)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現(xiàn)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(fā)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序后，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，做了一個簡單的程序，通過串口調試助手下發(fā)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，在調試助手上重新顯示出來，先把程序貼出來。

程序中需要注意的一點是：因為平常都是將MAX485設置為接收狀態(tài)，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候才將MAX485改為發(fā)送狀態(tài)，所以在UartWrite()函數(shù)開頭將MAX485方向引腳拉高，函數(shù)退出前再拉低。但是這里有一個細節(jié)，就是單片機的發(fā)送和接收中斷產(chǎn)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(jīng)置位并且馬上進入中斷（如果中斷使能的話）函數(shù)了，接收的時候自然不會存在問題，但發(fā)送的時候就不一樣了：當緊接著向SBUF寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，UART硬件會在完成上一個停止位的發(fā)送后，再開始新字節(jié)的發(fā)送，但如果此時不是繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)，而是已經(jīng)發(fā)送完畢了，要停止發(fā)送并將MAX485方向引腳拉低以使MAX485重新處于接收狀態(tài)時就有問題了，因為這時候最后的這個停止位實際只發(fā)送了一半，還沒有完全完成，所以就有了UartWrite()函數(shù)內DelayX10us(5)這個操作，這是人為的增加了50us的延時，這50us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。

/RS485.c文件程序源代碼*/

#include

#include

sbitRS485_DIR=P1^7;//RS485方向選擇引腳

bitflagFrame=0;//幀接收完成標志，即接收到一幀新數(shù)據(jù)

bitflagTxd=0;//單字節(jié)發(fā)送完成標志，用來替代TXD中斷標志位

unsignedcharcntRxd=0;//接收字節(jié)計數(shù)器

unsignedcharpdatabufRxd[64];//接收字節(jié)緩沖區(qū)

externvoidUartAction(unsignedchar*buf,unsignedcharlen);

/*串口配置函數(shù)，baud-通信波特率*/

voidConfigUART(unsignedintbaud)

{

RS485_DIR=0;//RS485設置為接收方向

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重載值

TL1=TH1;//初值等于重載值

ET1=0;//禁止T1中斷

ES=1;//使能串口中斷

TR1=1;//啟動T1

}

/*軟件延時函數(shù)，延時時間(t*10)us*/

voidDelayX10us(unsignedchart)

{

do{

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

}while(--t);

}

/*串口數(shù)據(jù)寫入，即串口發(fā)送函數(shù)，buf-待發(fā)送數(shù)據(jù)的指針，len-指定的發(fā)送長度*/

voidUartWrite(unsignedchar*buf,unsignedcharlen)

{

RS485_DIR=1;//RS485設置為發(fā)送

while(len--)//循環(huán)發(fā)送所有字節(jié)

{

flagTxd=0;//清零發(fā)送標志

SBUF=*buf++;//發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)

while(!flagTxd);//等待該字節(jié)發(fā)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設置為接收

}

/*串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，buf-接收指針，len-指定的讀取長度，返回值-實際讀到的長度*/

unsignedcharUartRead(unsignedchar*buf,unsignedcharlen)

{

unsignedchari;

if(len>cntRxd)//指定讀取長度大于實際接收到的數(shù)據(jù)長度時，

{//讀取長度設置為實際接收到的數(shù)據(jù)長度

len=cntRxd;

}

for(i=0;i

{

*buf++=bufRxd[i];

}

cntRxd=0;//接收計數(shù)器清零

returnlen;//返回實際讀取長度

}

/*串口接收監(jiān)控，由空閑時間判定幀結束，需在定時中斷中調用，ms-定時間隔*/

voidUartRxMonitor(unsignedcharms)

{

staticunsignedcharcntbkp=0;

staticunsignedcharidletmr=0;

if(cntRxd>0)//接收計數(shù)器大于零時，監(jiān)控總線空閑時間

{

if(cntbkp!=cntRxd)//接收計數(shù)器改變，即剛接收到數(shù)據(jù)時，清零空閑計時

{

cntbkp=cntRxd;

idletmr=0;

}

else//接收計數(shù)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(xù)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;//設置幀接收完成標志

}

}

}

}

else

{

cntbkp=0;

}

}

/*串口驅動函數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)幀的接收，調度功能函數(shù)，需在主循環(huán)中調用*/

voidUartDriver()

{

unsignedcharlen;

unsignedcharpdatabuf[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(qū)中

UartAction(buf,len);//傳遞數(shù)據(jù)幀，調用動作執(zhí)行函數(shù)

}

}

/*串口中斷服務函數(shù)*/

voidInterruptUART()interrupt4

{

if(RI)//接收到新字節(jié)

{

RI=0;//清零接收中斷標志位

if(cntRxd

{//保存接收字節(jié)，并遞增計數(shù)器

bufRxd[cntRxd++]=SBUF;

}

}

if(TI)//字節(jié)發(fā)送完畢

{

TI=0;//清零發(fā)送中斷標志位

flagTxd=1;//設置字節(jié)發(fā)送完成標志

}

}

/*main.c文件程序源代碼/

#include

unsignedcharT0RH=0;//T0重載值的高字節(jié)

unsignedcharT0RL=0;//T0重載值的低字節(jié)

voidConfigTimer0(unsignedintms);

externvoidUartDriver();

externvoidConfigUART(unsignedintbaud);

externvoidUartRxMonitor(unsignedcharms);

externvoidUartWrite(unsignedchar*buf,unsignedcharlen);

voidmain()

{

EA=1;//開總中斷

ConfigTimer0(1);//配置T0定時1ms

ConfigUART(9600);//配置波特率為9600

while(1)

{

UartDriver();//調用串口驅動

}

}

/*串口動作函數(shù)，根據(jù)接收到的命令幀執(zhí)行響應的動作

buf-接收到的命令幀指針，len-命令幀長度*/

voidUartAction(unsignedchar*buf,unsignedcharlen)

{

//在接收到的數(shù)據(jù)幀后添加換車換行符后發(fā)回

buf[len++]=r;

buf[len++]=n;

UartWrite(buf,len);

}

/*配置并啟動T0，ms-T0定時時間*/

voidConfigTimer0(unsignedintms)

{

unsignedlongtmp;//臨時變量

tmp=11059200/12;//定時器計數(shù)頻率

tmp=(tmp*ms)/1000;//計算所需的計數(shù)值

tmp=65536-tmp;//計算定時器重載值

tmp=tmp+33;//補償中斷響應延時造成的誤差

T0RH=(unsignedchar)(tmp>>8);//定時器重載值拆分為高低字節(jié)

T0RL=(unsignedchar)tmp;

TMOD&=0xF0;//清零T0的控制位

TMOD|=0x01;//配置T0為模式1

TH0=T0RH;//加載T0重載值

TL0=T0RL;

ET0=1;//使能T0中斷

TR0=1;//啟動T0

}

/*T0中斷服務函數(shù)，執(zhí)行串口接收監(jiān)控*/

voidInterruptTimer0()interrupt1

{

TH0=T0RH;//重新加載重載值

TL0=T0RL;

UartRxMonitor(1);//串口接收監(jiān)控

}

現(xiàn)在看這種串口程序，是不是感覺很簡單了呢？串口通信程序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(xiàn)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，我們下載程序用的是COM4，而USB轉RS485虛擬的是COM5，通信的時候我們用的是COM5口，如圖18-3所示。

圖18-3RS485通信試驗設置和結果

1.2Modbus通信協(xié)議介紹

我們前邊學習UART、I2C、SPI這些通信協(xié)議，都是最底層的協(xié)議，是“位”級別的協(xié)議。而我們在學習13章做實用串口通信程序的時候，我們通過串口發(fā)給單片機三條指令，讓單片機做了三件不同的事情，分別是“buzzon”、“buzzoff”和“showstr”。隨著系統(tǒng)復雜性的增加，我們希望可以實現(xiàn)更多的指令。而指令越來越多，帶來的后果就是非常雜亂無章，尤其是這個人喜歡寫成“buzzon”、“buzzoff”，而另外一個人喜歡寫成“onbuzz”、“offbuzz”。導致不同開發(fā)人員寫出來的程序代碼不兼容，不同廠家的產(chǎn)品不能掛到一條總線上通信。

隨著這種矛盾的日益嚴重，就會有聰明人提出更合理的解決方案，提出一些標準來，今后我們的編程必須按照這個標準來，這種標準也是一種通信協(xié)議，但是和UART、I2C、SPI通信協(xié)議不同的是，這種通信協(xié)議是字節(jié)級別的，叫做應用層通信協(xié)議。在1979年由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）提出了全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場總線的協(xié)議，就是Modbus協(xié)議。

1.2.1Modbus協(xié)議特點

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間可以通信，已經(jīng)成為一種工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。這種協(xié)議定義了一種控制器能夠認識使用的數(shù)據(jù)結構，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤記錄，它制定了通信數(shù)據(jù)的格局和內容的公共格式。

在進行多機通信的時候，Modbus協(xié)議規(guī)定每個控制器必須要知道它們的設備地址，識別按照地址發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，決定是否要產(chǎn)生動作，產(chǎn)生何種動作，如果要回應，控制器將生成的反饋信息用Modbus協(xié)議發(fā)出。

Modbus協(xié)議允許在各種網(wǎng)絡體系結構內進行簡單通信，每種設備（PLC、人機界面、控制面板、驅動程序、輸入輸出設備等）都能使用Modbus協(xié)議來啟動遠程操作，一些網(wǎng)關允許在幾種使用Modbus協(xié)議的總線或網(wǎng)絡之間的通信，如圖18-4所示。

圖18-4Modbus網(wǎng)絡體系結構實例

Modbus協(xié)議的整體架構和格式比較復雜和龐大，在我們的課程里，我們重點介紹數(shù)據(jù)幀結構和數(shù)據(jù)通信控制方式，作為一個入門級別的了解。如果大家要詳細了解，或者使用Modbus開發(fā)相關設備，可以查閱相關的國標文件再進行深入學習。

1.1.1RTU協(xié)議幀數(shù)據(jù)

Modbus有兩種通信傳輸方式，一種是ASCII模式，一種是RTU模式。由于ASCII模式的數(shù)據(jù)字節(jié)是7bit數(shù)據(jù)位，51單片機無法實現(xiàn)，而且實際應用的也比較少，所以這里我們只用RTU模式。兩種模式相似，會用一種另外一種也就會了。一條典型的RTU數(shù)據(jù)幀如圖18-5所示。

圖18-5RTU數(shù)據(jù)幀

與之前我們講解實用串口通信程序時用的原理相同，一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流進行傳輸。我們在實用串口通信程序中采用的方法是定義30ms，如果數(shù)據(jù)接收時超過了30ms還沒有接收到下一個字節(jié)，我們就認為這次的數(shù)據(jù)結束。而Modbus的RTU模式規(guī)定不同數(shù)據(jù)幀之間的間隔是3.5個字節(jié)通信時間以上。如果在一幀數(shù)據(jù)完成之前有超過3.5個字節(jié)時間的停頓，接收設備將刷新當前的消息并假定下一個字節(jié)是一個新的數(shù)據(jù)幀的開始。同樣的，如果一個新消息在小于3.5個字節(jié)時間內接著前邊一個數(shù)據(jù)開始，接收設備將會認為它是前一幀數(shù)據(jù)的延續(xù)。這將會導致一個錯誤，因此大家看RTU數(shù)據(jù)幀最后還有16bit的CRC校驗。

起始位和結束符：圖18-5上代表的是一個數(shù)據(jù)幀，前后都至少有3.5個字節(jié)的時間間隔，起始位和結束符實際上沒有任何數(shù)據(jù)，T1-T2-T3-T4代表的是時間間隔3.5個字節(jié)以上的時間，而真正有意義的第一個字節(jié)是設備地址。

設備地址：很多同學不理解，在多機通信的時候，數(shù)據(jù)那么多，我們依靠什么判斷這個數(shù)據(jù)幀是哪個設備的呢？沒錯，就是依靠這個設備地址字節(jié)。每個設備都有一個自己的地址，當設備接收到一幀數(shù)據(jù)后，程序首先對設備地址字節(jié)進行判斷比較，如果與自己的地址不同，則對這幀數(shù)據(jù)直接不予理會，如果與自己的地址相同，就要對這幀數(shù)據(jù)進行解析，按照之后的功能碼執(zhí)行相應的功能。如果地址是0x00，則認為是一個廣播命令，就是所有的從機設備都要執(zhí)行的指令。

功能代碼：在第二個字節(jié)功能代碼字節(jié)中，Modbus規(guī)定了部分功能代碼，此外也保留了一部分功能代碼作為備用或者用戶自定義，這些功能碼大家不需要去記憶，甚至都不用去看，直到你用到的那天再過來查這個表格即可，如表18-1所示。

表18-1Modbus功能碼