1. 主從模式

RS-485上的軟件層協(xié)議ModBus主要依賴于主從模式。主從模式是指在半雙工通訊方式上，2個(gè)或者2個(gè)以上的設(shè)備組成的通訊系統(tǒng)中：

(1) 至少且只有一個(gè)主機(jī)，其他的都是從機(jī)
(2) 不管任何時(shí)候，從機(jī)都不能主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
(3) 主機(jī)具有訪問(wèn)從機(jī)的權(quán)限，從機(jī)不可以主動(dòng)訪問(wèn)從機(jī)，任何一次數(shù)據(jù)交換，都要由主機(jī)發(fā)起
(4)不管是主機(jī)還是從機(jī)，系統(tǒng)一旦上電，都要把自己置于接收狀態(tài)(或者稱為監(jiān)聽(tīng)狀態(tài))
主從機(jī)的數(shù)據(jù)交互，需要：
a. 主機(jī)將自己轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)
b. 主機(jī)按照預(yù)先約定的格式發(fā)出尋址數(shù)據(jù)幀。
所謂的約定，可是主機(jī)開(kāi)發(fā)者和從機(jī)開(kāi)發(fā)者約定好的規(guī)約，好，例如主機(jī)要通過(guò)從機(jī)控制接在從機(jī)的電機(jī)，主機(jī)要啟動(dòng)電機(jī)就往從機(jī)發(fā)0x1，停止電機(jī)就往從機(jī)發(fā)0x2。這就是一種預(yù)
先約定好的格式，但是這樣做，互換性、兼容性、通用性差，例如其他公司是約定發(fā)送0x03讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)0x04讓電機(jī)停止。導(dǎo)致不同廠家的主機(jī)、從機(jī)不能相互通訊。用戶需要的，就像網(wǎng)絡(luò)操作，只要接入有網(wǎng)的網(wǎng)線那么計(jì)算機(jī)都能上網(wǎng)。
所以說(shuō)，我們需要一種大家都共同遵循的規(guī)則(可以是ModBus，也可以是TCP/IP等上層協(xié)議)，這種大家認(rèn)可，共同遵循的軟件層協(xié)議。軟件層協(xié)議主要是解決如何解析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即傳輸?shù)哪康幕蛘吒涌煽康膫鬏敂?shù)據(jù)。
半雙工通訊中，都是主機(jī)尋找從機(jī)，主機(jī)的目的無(wú)非有: 主機(jī)要發(fā)數(shù)據(jù)給從機(jī)，或者主機(jī)要從從機(jī)中獲取數(shù)據(jù)。
c. 主機(jī)恢復(fù)自身的接收狀態(tài)
主機(jī)等待自身所尋址的從機(jī)作回應(yīng)，也就是說(shuō)從機(jī)接收到主機(jī)的尋址命令、數(shù)據(jù)后一定要回應(yīng)主機(jī)，不然主機(jī)會(huì)認(rèn)為從機(jī)通訊異常?；貞?yīng)數(shù)據(jù)包也是要按照ModBus協(xié)議規(guī)約(其實(shí)不局限ModBus，像TCP/IP也需要回應(yīng)是吧！~)

2. ModBus通訊協(xié)議

通俗點(diǎn)來(lái)講，ModBus規(guī)約了起停電機(jī)，主機(jī)要分別發(fā)送什么命令給從機(jī)。ModBus規(guī)定主從機(jī)之間數(shù)據(jù)的交互，需要遵循什么樣的格式，如何保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不發(fā)生沖突。只要都遵循這個(gè)協(xié)議，那么不同廠家的主從機(jī)就可以共用了。
ModBus一般是工作在一主多從的場(chǎng)景，還是這個(gè)圖：

主機(jī)和從機(jī)之間的連線不一定是非要485來(lái)作為載體，也可以是IIC，SPI。因?yàn)镸odBus是軟件層的協(xié)議，它既可以規(guī)約485硬件接線方式，也可以規(guī)約其他硬件接線方式。很多資料會(huì)寫(xiě)”基于RS-485的ModBus通訊協(xié)議”，意思是底層的0、1數(shù)據(jù)是通過(guò)RS-485方式去傳輸?shù)?#xff0c;0、1的意義則是通過(guò)ModBus去解析的。強(qiáng)調(diào)，硬件協(xié)議可以確保數(shù)據(jù)得以傳輸出去，軟件協(xié)議保障數(shù)據(jù)的有序傳輸，數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生沖突。
ModBus規(guī)定：
(1) 主從模式
有的協(xié)議規(guī)定是多主模式，意思是系統(tǒng)中的設(shè)備都是主機(jī)，它們并沒(méi)有主從之分，任何時(shí)刻，誰(shuí)想發(fā)送數(shù)據(jù)都可以往總線上發(fā)送，例如網(wǎng)絡(luò)通信、CAN總線通訊，自然它們自有一套防止數(shù)據(jù)沖突機(jī)制，485由于不具備沖突檢測(cè)的硬件機(jī)制，所以它必須遵循主從模式。主從模式的原則是，整個(gè)系統(tǒng)只能有一個(gè)主機(jī)，每一個(gè)從機(jī)都必須有一個(gè)唯一的地址
(2) 從機(jī)的地址是作為每個(gè)從機(jī)的唯一標(biāo)識(shí)。地址取值是0-247，0號(hào)地址表示廣播地址，廣播地址由主機(jī)保留，當(dāng)主機(jī)向0號(hào)地址發(fā)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，每一個(gè)從機(jī)設(shè)備都會(huì)收到數(shù)據(jù)包。也就是說(shuō)，當(dāng)主機(jī)發(fā)出的尋址幀的地址是0的時(shí)候，所有從機(jī)都要執(zhí)行主機(jī)要求的動(dòng)作。按理說(shuō)，從機(jī)收到主機(jī)的尋址幀之后，是要做出應(yīng)答包的，但是現(xiàn)在是0號(hào)地址，也就是要回的話每臺(tái)從機(jī)都要回，那么肯定會(huì)造成RS-485通訊線上的數(shù)據(jù)混亂，因此所有從機(jī)在主機(jī)發(fā)0號(hào)地址時(shí)候不予返回?cái)?shù)據(jù)包應(yīng)答。
從機(jī)的地址有兩個(gè)作用
a. 主機(jī)向目標(biāo)從機(jī)發(fā)尋址幀時(shí)其地址部分為從機(jī)地址，這樣主機(jī)才可以檢索到目標(biāo)從機(jī)
b. 對(duì)于主機(jī)的目標(biāo)從機(jī)，當(dāng)收到主機(jī)發(fā)來(lái)的非0地址時(shí)，要做出數(shù)據(jù)包應(yīng)答，假設(shè)從機(jī)要返回?cái)?shù)據(jù)包給主機(jī)，自然是要把數(shù)據(jù)包放到RS-485總線上，因?yàn)槊颗_(tái)從機(jī)，其物理連線是在一起的，所以這就會(huì)造成其他從機(jī)認(rèn)為數(shù)據(jù)是要發(fā)送給它的現(xiàn)象，所以在從機(jī)回復(fù)主機(jī)的數(shù)據(jù)包中，加上從機(jī)自身的地址，那么其他從機(jī)讀取到這個(gè)地址值跟自己的地址不相同，就不會(huì)去響應(yīng)了。
(3) ModBus數(shù)據(jù)包的格式
主機(jī)要尋找某臺(tái)從機(jī)，需要發(fā)出相應(yīng)格式的信息，這就需要談到ModBus的兩種傳輸方式:
a. RTU傳輸方式
RTU實(shí)際上也成為二進(jìn)制方式。假設(shè)主機(jī)要發(fā)送0x23，那就是發(fā)送0010 0011，按照485通訊協(xié)議，先發(fā)高位，即1100 0100。前后分別加上起始、停止位: “起始位 1100 0100 停止位”共10位數(shù)據(jù)
b. ASC傳輸方式
同樣要發(fā)送0x23，它是十六進(jìn)制數(shù)，會(huì)將其拆成十位的’2’和個(gè)位的’3’，將它們的asc碼依次發(fā)出去，’0’的asc碼是0x32，’3’的asc是0x33，轉(zhuǎn)為二進(jìn)制為0011 0010和0011 0011，同樣要加上停止、起始位，共20位數(shù)據(jù)
很明顯，asc傳輸方式比較低，但是由于它傳輸?shù)氖莂sc碼，所以可以利用一些串口終端將其數(shù)值打印出來(lái)。

特別提醒，RS-485硬件協(xié)議決定，對(duì)于每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸是先發(fā)高位，再發(fā)地位，所以假設(shè)數(shù)組u8型數(shù)組revArr[2]存放著接收到的數(shù)據(jù)，那么接收端解析數(shù)據(jù)應(yīng)該是u16型data = revArr[0] * 256 + revArr[1]。

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在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域，通常情況下是采用串口通信的方式進(jìn)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(chǎng)比較復(fù)雜，各種電氣設(shè)備會(huì)在環(huán)境中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。除此之外，RS232接口只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，最大傳輸距離也只能達(dá)到幾十米，不能滿足遠(yuǎn)距離通信要求。

而RS485則解決了這些問(wèn)題，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，可以有效的解決共模干擾問(wèn)題，最大距離可以到1200米，并且允許多個(gè)收發(fā)設(shè)備接到同一條總線上。隨著工業(yè)應(yīng)用通信越來(lái)越多，1979年施耐德電氣制定了一個(gè)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議Modbus協(xié)議，現(xiàn)在工業(yè)中使用RS485通信場(chǎng)合很多都采用Modbus協(xié)議，所以今天我們來(lái)了解下RS485通信和Modbus通信協(xié)議。

【RS485通信】

實(shí)際上在RS485之前RS232就已經(jīng)誕生，但是RS232有幾處不足的地方：

1、接口的信號(hào)電平值較高，達(dá)到十幾V，容易損壞接口電路的芯片，而且和TTL電平不兼容，因此和單片機(jī)電路接起來(lái)的話必須加轉(zhuǎn)換電路。

2、傳輸速率有局限，不可以過(guò)高，一般到幾十Kb/s就到極限了。

3、接口使用信號(hào)線和GND與其他設(shè)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(shí)候只能兩點(diǎn)之間進(jìn)行通信，不能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。

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

1.邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號(hào)電平比RS232C降低了，就不易損壞電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2.RS485通信速度快，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps以上

3.RS485內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，采用的是平衡驅(qū)動(dòng)器和查分接收器的組合，抗干擾能力大大增加。

4.傳輸速率最遠(yuǎn)可達(dá)到1200米左右，但是他的傳輸速率和傳輸距離是成反比的，只有在100KB/s以下的傳輸速率，才能達(dá)到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠(yuǎn)距離可以使用中繼。

5.可以在總線上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，總線上允許掛多個(gè)收發(fā)器，從現(xiàn)有的RS485芯片來(lái)看，有可以掛32、64、128、256等不同個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器。

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。在RS232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過(guò)2臺(tái)，就必須使用RS485做通訊介質(zhì)，RS485網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過(guò)“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)主設(shè)備通常是PC，而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個(gè)主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備。

RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個(gè)原因：

(1)共模干擾問(wèn)題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

(2)EMI問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。由于PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機(jī)的RS485電路：（1）通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，對(duì)于情況比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。（2）通過(guò)PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號(hào)為RS485類型的擴(kuò)展卡。

【Modbus通信協(xié)議】

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過(guò)400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過(guò)600種。

(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等。

(3)Modbus的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。

R【TU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(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而且應(yīng)用也相對(duì)較少，所以這里我們只用RTU模式。兩種模式相似，會(huì)用一種另外一種也就會(huì)了。一條典型的RTU數(shù)據(jù)幀如圖所示。

和我們實(shí)用串口通信程序類似，我們一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。我們?cè)趯?shí)用串口通信程序中采用的方法是定義30ms，如果接收到的數(shù)據(jù)超過(guò)了30ms還沒(méi)有接收到下一個(gè)字節(jié)，我們就認(rèn)為這次的數(shù)據(jù)結(jié)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(gè)字節(jié)通信時(shí)間以上。如果在一幀數(shù)據(jù)完成之前有超過(guò)3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間的停頓，接收設(shè)備將刷新當(dāng)前的消息并假定下一個(gè)字節(jié)是一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。同樣的，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間內(nèi)接著前邊一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始的，接收的設(shè)備將會(huì)認(rèn)為它是前一幀數(shù)據(jù)的延續(xù)。這將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因此大家看RTU數(shù)據(jù)幀最后還有16bit的CRC校驗(yàn)。

起始位和結(jié)束符：前后都至少有3.5個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔，起始位和結(jié)束符實(shí)際上沒(méi)有任何數(shù)據(jù)，T1-T2-T3-T4代表的是時(shí)間間隔3.5個(gè)字節(jié)以上的時(shí)間，而真正有意義的第一個(gè)字節(jié)是設(shè)備地址。

設(shè)備地址：在多機(jī)通信的時(shí)候，數(shù)據(jù)那么多，我們依靠什么判斷這個(gè)數(shù)據(jù)幀是哪個(gè)設(shè)備的呢？沒(méi)錯(cuò)，就是依靠這個(gè)設(shè)備地址字節(jié)。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)自己的地址，當(dāng)設(shè)備接收到一幀數(shù)據(jù)后，程序首先對(duì)設(shè)備地址字節(jié)進(jìn)行判斷比較，如果與自己的地址不同，則對(duì)這幀數(shù)據(jù)直接不予理會(huì)，如果如果與自己的地址相同，就要對(duì)這幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照之后的功能碼執(zhí)行相應(yīng)的功能。如果地址是0x00，則認(rèn)為是一個(gè)廣播命令，就是所有的從機(jī)設(shè)備都要執(zhí)行的指令。

功能代碼：在第二個(gè)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，直到你有用到的那天再過(guò)來(lái)查這個(gè)表格即可。

CRC校驗(yàn)：CRC校驗(yàn)是一種數(shù)據(jù)算法，是用來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)的。CRC校驗(yàn)函數(shù)把一幀數(shù)據(jù)除最后兩個(gè)字節(jié)外，前邊所有的字節(jié)進(jìn)行特定的算法計(jì)算，計(jì)算完后生成了一個(gè)16bit的數(shù)據(jù)，作為CRC校驗(yàn)碼，添加在一幀數(shù)據(jù)的最后。接收方接收到數(shù)據(jù)后，同樣會(huì)把前邊的字節(jié)進(jìn)行CRC計(jì)算，計(jì)算完了再和發(fā)過(guò)來(lái)的CRC的16bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相同則認(rèn)為數(shù)據(jù)正常，沒(méi)有出錯(cuò)，如果比較不相同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤，這幀數(shù)據(jù)將被丟棄，就像沒(méi)收到一樣，而發(fā)送方會(huì)在得不到回應(yīng)后做相應(yīng)的處理錯(cuò)誤處理。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的RS485通信和Modbus通信协议汇总的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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