RS485與Modbus通信協議

在工業控制、電力通信、智能儀表等領域，數據交換通常依賴于串口通信。最初，RS232接口是主流選擇，然而，由于工業現場的復雜性，各種電氣設備產生的電磁干擾可能導致信號傳輸錯誤。

1979年，電氣設計并推出了一個專為工業現場設計的總線協議，即Modbus協議。現在，許多采用RS485通信的工業場合都傾向于使用Modbus協議。在工業領域中，當涉及到RS485通信時，Modbus協議得到了廣泛應用。接下來，我們將對RS485通信和Modbus通信協議進行詳細介紹。

一、 RS485通信

1、在RS485之前，RS232已經問世，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，需要額外的轉換電路與單片機電路連接。

2）RS232的共地模式通信方式容易產生干擾，并且抗干擾性能較弱。

3）其傳輸距離和速率均有限，最遠只能達到幾十米，且僅支持兩點之間的通信，無法實現多機聯網。

2、為了克服RS232的局限性，RS485等新型接口標準應運而生。RS485具有以下特點：

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，數據最高傳輸速率可達10Mbps以上。其內部采用平衡驅動器和差分接收器的組合，顯著提高了抗干擾能力。

3）其傳輸距離最遠可達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，才能實現最大的通信距離。若需傳輸更遠距離，可使用中繼器。

4）RS485支持多機通信，總線上可掛載多個收發器。根據現有RS485芯片，可掛載的設備數量有所不同，如32、64、128、256等。

3、RS485分為兩線制和四線制。四線制僅支持點對點通信，現已較少使用。兩線制為總線式拓撲結構，同一總線上最多可掛接32個節點。在RS485通信網絡中，通常采用主從通信方式，即一個主機帶多個從機。

4、在連接RS-485通信鏈路時，有時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，無需參照點檢測信號。但收發器有一定的共模電壓范圍（-7～+12V）。當網絡線路中的共模電壓超出此范圍時，將影響通信穩定性甚至損壞接口。

2）EMI問題：發送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個低阻返回通道。若無此通道（信號地），信號將以輻射形式返回源端，導致總線向外輻射電磁波。

5、由于PC機默認僅配備RS232接口，可通過以下方法實現PC上位機的RS485電路：

1）使用RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換為RS485信號。對于復雜的工業環境，建議選擇具有防浪涌和隔離功能的產品。

2）通過PCI多串口卡，選擇輸出信號為RS485類型的擴展卡。

二、Modbus通信協議

Modbus功能碼是Modbus通信協議中用于指示設備執行何種操作的一組指令代碼。它們允許主設備（通常是計算機或PLC）與從設備（例如傳感器、執行器等）進行通信，以讀取或寫入數據。

功能碼可以大致分為位操作和字節操作兩類。位操作的最小單位是Bit，通常用于控制如開關狀態等單個位的操作。字節操作的最小單位是2個字節（Byte），常用于讀取或寫入多字節數據，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（Read Coils Status）

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

05H：寫單個線圈（Write Single Coil）

0FH：寫多個線圈（Write Multiple Coils）

字節操作指令：

03H：讀保持寄存器（Read Holding Registers）

用于從從設備讀取一個或多個保持寄存器的值。保持寄存器通常用于存儲設備的參數或狀態信息。

04H：讀輸入寄存器（Read Input Registers）

用于從從設備讀取一個或多個輸入寄存器的值。輸入寄存器通常用于存儲從外部設備（如傳感器）讀取的數據。

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

用于向從設備的單個保持寄存器寫入一個值。

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

用于向從設備的多個連續保持寄存器寫入值。這通常用于設置設備的參數或狀態。請注意，上述功能碼是十六進制表示，并且以“H"后綴表示。在實際通信中，這些功能碼會被轉換為二進制格式進行傳輸。

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