485+MODBUS总结 第一章(完)

RS485+MODBUS总结 第一章(完)

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前言：

   这一段时间又在瞎忙，感觉浪费了很多了时间。不过今天又恢复了干劲，把最近自己所学习的485做一次总结和分享。

   先指定一下的计划：计划到年底，裸机主要学习和撰写485+MODBUS协议、CAN+CP/IP协议、USB+TYPEC协议，相关代码在M4做验证后发放执行代码；从新总结USART协议、SPI协议、IIC协议、单总线协议。当然，也要在IAR环境下用库函数编写并发放；学习蓝牙4.2协议的数据链路层+应用层通信、实现与微信数据透传等等，并在硬件上搭建出来，计划明年年初把文档做一次总结。

   为什么要作总结呢？我感觉这些所谓的协议本就是双方所约定通用的通信格式，搞明白会用不就好了。但当我翻《MODBUS协议》官方手册的时候，好几百页，没看几页我都快睡着了。没办法，硬着头皮看了几十页，回头想想，之前看过的东西又全都想不起来了。所以对我来说，脑子容量有限，那就”把复杂的东西简单化，把简单的东西习惯化”不就好了。

   好了，不啰嗦，开工！

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物理层协议：交通路线，解决0和1数据链路传输问题。

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一、为什么要采用485接口协议？（回答为本人的口述）

      工业控制中常用到RS485接口，一是要求传输距离远；二是要求传输数据可靠；三是要求从机设备较多。而485的特点是：

      1、数据传输可靠：采用电压差分结构；
      2、为两线制：A和B,发送端发送时，Ua>Ub = 0； Ua\Ub =1;
接收端接收时，Ua>Ub =1; Ub>Ua =0;
            所以厂家芯片需要内部集成收和发电路；
      3、接口电平：双方统一即可，一般为 +(2\~6)V =1 、 -(2\~6)V=0；
      4、传输距离远：一般最远为1K米左右；
      5、传输速率高：由收发器的最高传输速率所决定，传输速率低则传输距离远。
      6、支持节点多：由收发器所决定（通常由32、128、256、400MAX）

      结合以上优点，所以使用485接口。

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二、 为什么485必须要用MODBUS？

       MODBUS为应用层协议。由于485通信只是单工通信（差分传输），故为了实现半双工通信（USART为半双工），所以需要主、从双方所约定的“通用法则”来进行半双工的数据通信。我的理解如果把485物理层比喻为数据传输的公路，则MODBUS就为交通规则。
       当然，485不仅可以采用MODBUS协议传输，也可以采用TCP/IP 协议传输。

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三、采用具体电路具体分析。

      上图为光电隔离方式的 SP485R芯片的实际电路，该部分可直接被使用。

      MCU的 UART串口的 RXD、 TXD 通过光电隔离电路连接SP485R 芯片的 RO、 DI引脚，控制信号 R/D 同样经光电隔离电路去控制 SP485R 芯片的 DE和/RE 引脚。

      由微处理器输出的 R/D 信号通过光电隔离器件控制 485芯片的发送器或接收器使能：
      ① R/D 信号为“1”，则 485芯片的 DE 和/RE引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止；此时，MCU可向485总线发送数据字节；
      ② R/D 信号为“0”，则 485芯片的 DE和/RE
引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效；此时MCU可接收来自485总线的据字节。

      注意：任一时刻，485芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有 1个处于工作状态。（原因：是单工通信）。

器件作用：
      ①连接至 A 引脚的上拉电阻 R7、连接至 B 引脚的下拉电阻 R8 用于保证无连接的485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高 485节点与网络的可靠性。
      ②使用 DC-DC 器件可以产生 1 组与微处理器电路完全隔离的电源输出， 用于向 RS-485收发器电路提供+5V 电源。
      ③电路中光耦器件的速率将会影响 RS-485 电路的通讯速率。

      上图中选用了 NEC公司的光耦器件 PS2501 芯片，受 PS2501 芯片的响应速率影响，这一示范 RS-485接口电路的通讯速率只可保障在 19200bps 速率以下正常工作；如果需要达到更高的RS-485 通讯速率，则需要选用响应速度更快的光耦器件，比如 Agilent公司的超高速光耦元件。

好了，硬件协议就总结到这里，接下来总结MODBUS协议！

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MODBUS协议：交通规则，让主、从双方更可靠的半双工通信。

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一、你说把MODBUS比喻为“交规”，那规则是啥？（MODBUS协议下讲述）

      我的理解MODBUS和IIC倒是有相似之处（可以自己体会一下），可以比喻为在队列中，队长（主机）点名，点到名字的队员（从机）应答（包括“到！”和“回答的其他信息==数据”）。简单总结，可以分为以下几点：

      ①. 系统中，只允许有一个设备为主机；
      ②. 任何时候，从机不允许向主机发送数据；
      ③ 系统上电后，主机与所有从机都要默认保持为接收状态（监听状态）；
      ④ 每次的数据交换都要由主机发起：
            具体实现过程为：
                                       a.首先主机将自己转为发送状态；
                                       b.主机按预先约定的格式主机发出寻址帧→主机恢复为接收态；
                                        c.等待所寻址的从机做应答；

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二、那说了这么多，你总要让我们知道MODBUS适用于哪里吧？

       MOSBUS适用于”一主多从”的结构，如下图：
                

      为什么这么定义的呢，这是由于像上图所示的电路结构所决定的：所有设备的通讯总线连在一起，这样协议就不具备冲突检测；举个例子，也就是主机给从机1发送数据后，从机要做回应，此时回应的数据加载到数据总线上，那么所有的从机都能”看得见”，那么问题来了，跟谁聊天呢！

      所以MODBUS定义：
                                       ①只能由一台主机；
                                       ②每个从机都必须有一个唯一的地址。
                                       ③那么你那地址是啥？怎么定义？

       其实呢，你可以理解每个从机的地址为手机号，但这样比喻的并不恰当，为什么这么说呢。那是因为咱么最终代码的实现还是要通过C语言来写出来，而发送的数据包中都含地址域，说的明确一点，那就是所有从机都判断定义好的从机ID(寻址)，而不是像手机一样，拨打谁的号码就只有给他打电话。

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三、那MODBUS对地址有什么要求，不会是无穷多个随便定义吧？

       当然不是。协议规定，MODBUS地址范围为0\~247，其中0号地址为 广播地址(主机呼叫所有用户)，即主机向0号地址发送数据，也就是把该数据包发送至所用从机(群聊!

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四、你上边说主机发送后从机必须要回答，这么多用户不会都一一回答吧？

       不是的，为了避免冲突，所以协议规定：主机向地址0(所有从机)发送的时候，所有的从机都不做回应(默默地抢红包就好)。

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五、好了，正经的来了！ MODBUS的主机寻址帧格式(数据结构)

       首先了解MODBUS的两种编码格式：RTU格式 和 ASC格式；

       首先来大概了解一下RTU格式和ASC格式：

RTU：远程终端控制单元。可以称他为 ”十六进制编码”或叫”二进制”也可以。

       假如说我数据要发送0X03,那么这里发送格式如下：

                                          

       很明显，我要将0X03以二进制码0000 0011发送。其RTU格式为1+8+1=10位！

ASC：是不是感觉很眼熟，没错，这就是ASCII的简写！还是以0X03为例：

                                

       也就是把数据都以ASC码方式转换为二进制发送，这样传输就多了8个字节， ASC格式为1+8+8+1=18位！

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六、采用了RTU格式，为嘛还要采用ASC格式呢，多了8位…？

       首先说下RTU编码格式的优点：效率高！当然，ASC效率就低了，但是这样做有一个好处，就是咱的PC机只是别ASCII码的32-126，要是不在这个范围之内肯定就为一堆乱码了！

        所以采用ASC的好处就是，可以通过监控设备在总线上读取数据在PC机上打印出来，这样方便调试。

       建议在工作中采用RTU格式，而学习/调试可采用ASC编码格式。当然，这两种编码方式之间也可以相互转换！

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七、正经的又来了！ RTU编码格式

          

       从机地址就不用多说了；功能码就是指”做什么”的问题；

       而这里要加校验位为了提高数据的可靠性，RTU采用CRC16的校验方式；其数据包末尾加16位的校验位，当然校验位是采用他特定格式的算法得出的。

        很明显，数据包末尾没有所谓的停止位，从机是怎么区分这个数据结束了的呢？

       协议规定：主机发送的数据包的停顿时间到达3.5个字符时间作为结束的”标志”，从机就认为此次数据结束。假如说此次＜3.5字符时间，则从机会认为继续接收！

* 那么，这3.5个字符时间到底为多长时间呢？

我们举个例子：假若我们串口波特率是9600bit/s(每秒发送9600位)，则每位发送的时间t=1000000us/9600≈104us;

而一个字需要10位(上文有解释)，则一个字节所耗费的时间为：T=10X104us=1040us;

则3.5T=3.5X1040us=3645us≈4ms;这里我们选取4ms!

这个时间只是一个参考时间，不用太精确，我们也可以选取5-6ms;

       也就是说咱们程序中，需要做两个准备：
              ①硬件定时器，32可以定时为1ms，51可以定义为2ms，都没关系；
              ②串口；

       RTU代码较为复杂！到此，RTC编码格式介绍完毕。

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八、ASC编码格式
    

与RTU除了上述不同，ASC编码方式是有”开始位”和”停止位”：
             开始位：’:’，ASCII码为0X3A；
             停止位：’/r/n’,ASCII码为13、10；

校验码：采用LRC校验，他怎么计算呢？

计算方法：

①LRC=（地址码）+（功能码）+（数据1）+（数据2）+ … +（数据N）；

②LRC/256后取余数，其结果不会超过256，所以它的范围为0\~255；

③再将计算结果取反+1(补码)；

就这么简单哈，计算量明显比RTU格式简单许多，但是数据量增大了。

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九、从设备的数据包的应答格式

      从设备回答要与主机查询的数据包格式要一致，主机用RTU，那么我也用这种格式!

      我们想啊，从机回包也就两种可能：

                  ①你要的我能正确的给你；
                  ②你要的我没有或者数据不对；

所以也有数据传输的功能码也有

1. 能正确回应时，功能码与主机发送的功能码保持一致！

2. 不能正确回应时，从机回应的功能码要在接收到主机的功能码的基础上+128；

      那么主机收到从机功能码后判断是否<128，是的话则从机传输的数据是可靠的；反之，是不可靠的。主机可将正确性显示到LCD等直观设备上…做出提示！

非常重要：*MODBUS正常的功能码一定＜128*!

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第一章 完

本章结束语：

      哎呀，终于写完了，感觉写着挺费劲的，本来我这个就学了1个小时，但是写这个总结却花了我整整六个小时。但是写下来确实是有收获的，最起码是记得更牢靠了。

      接下来第二章会总结485+MODBUS具体代码的实现，具体操作就是用PC机充当主机，然后自己写一个程序下载到M4开发板中(充当从机)—–485发送/接收—–PC机通信。

                                                                   如果有错误的地方，请批评指正，谢谢！