一、知识目标

掌握总线的基础知识
掌握RS-485标准的电气特性及其与RS-422、RS-232标准的区别
掌握RS-485通信的收发器芯片的功能及其典型应用电路
了解Modbus总线并编程实现组网通信

二、技能目标

能进行基于Modbus串行通信协议软件的开发
能搭建RS485总线并编程实现组网通信

三、总线概述

在 20 世纪 80 年代中后期，随着工业控制、计算机、通信以及模块化集成等技术的发展，出现了现场总线控制系统。按照国际电工委员会 IEC61158 标准的定义，现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统 FCS（Fieldbus Control System）。
在总线的发展过程中，有多种分类方式。
一是按照传输速率分类：可分为低速总线和高速总线。
二是按照连接类型分类：可分为系统总线、外设总线和扩展总线。
三是按照传输方式分类：可分为并行总线和串行总线。
本书主要关注计算机与嵌入式系统领域的高速串行总线技术。

3.1 串行通信的概念

学习 RS-485 通信标准就不得不提串行通信，因为 RS-485 通信隶属于串行通信的范畴。在计算机网络与分布式工业控制系统中，设备之间经常通过各自配备的标准串行通信接口，加上合适的通信电缆实现数据与信息的交换。所谓“串行通信”是指外设和计算机之间，通过数据信号线、地线与控制线等，按位进行传输数据的一种通信方式。
常见串行通信接口标准有 RS-232、RS-422 和 RS-485 等。另外，SPI（SerialPeripheral Interface，串行外设接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，内置集成电路）和 CAN（Controller Area Network，控制器局域网）通信也属于串行通信。

3.2常见的电平信号及其电气特性

常见的电平信号有TTL电平、CMOS电平、RS-232电平与USB电平等。由于它们对于逻辑“1”和逻辑“0”的表示标准有所不同，因此在不同器件之间进行通信时，要特别注意电平信号的电气特性。

常见电平信号及其电气特性

RS-232电平与TTL电平逻辑表示对比图

3.3 RS-485 与 RS-422/RS-232 通信标准

RS-232、RS-422 和 RS-485 标准最初都是由美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）制订并发布的。RS-232 标准在 1962 年发布，它的缺点是通信距离短、速率低，而且只能点对点通信，无法组建多机通信系统。另外，在工业控制环境中，基于 RS-232 标准的通信系统经常会由于外界的电气干扰而导致信号传输错误。以上缺点决定了 RS-232 标准无法适用于工业控制现场总线。
RS-422 标准在 RS-232 的基础上发展而来，它弥补了 RS-232 标准的一些不足。如：RS-422 标准定义了一种平衡通信接口，改变了 RS-232 标准的单端通信的方式，总线上使用差分电压进行信号的传输。这种连接方式将传输速率提高到 10Mbps，并将传输距离延长到4000 英尺（速率低于 100Kbps 时），而且允许在一条平衡总线上最多连接 10 个接收器。为了扩展应用范围，EIA又于1983年发布了RS-485标准。RS-485标准与RS-422标准相比，增加了多点、双向的通信能力。

RS-232、RS-422 和 RS-485 标准的主要电气特性比较

RS485/422/232标准对比

3.4 485收发器

TTL—485需要发送器 485—TTL接要接收器
通常发送器和接收器做在同一个芯片中，但是发送器和接收器不能同时工作，通过硬件上的连线，单片机来操作控制引脚让它某一时刻是工作在接收状态还是发送状态。
485通信实际上是一个差分的通信模式， A B线上的电压差代表0和1 。

图3.4.1

图3.4.2

图3.4.3

图3.4.4

485总线与主从模式

图3.4.5

四、 Modbus协议

任何一次数据发送由主机发起，主机发送的是有规定格式的寻址数据帧。凡是遵循约定的、公开的、共通性的，可以在不同设备厂商的设备上可以解析的协议，就是软件层协议。Modbus就是这样的一种软件层协议

Modbus通信协议是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，完全免费。
Modbus通信协议是应用于电子控制器上的一种通用协议，目前已成为一通用工业标准。多工业设备包括PCL\DCS\变频器\智能仪表等都在使用。
Modbus使不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。Modbus支持多种电气接口，如RS-232、RS-485,还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、无线等。

Modbus是一种单主/多从的通信协议，即：在同一时间里，总线上只能有一个主设备，但可以有一个或多个（最多247个）从设备。

MODBUS协议的某些特性是固定的，如信息帧结构，帧顺序，通讯错误和异常情况的处理，以及所执行的功能码等，都不能随便改动。其他特性是属于用户可选的如传输介质，波特率，字符奇偶校验，停止位个数，参数字址定义等

图4.1

设备地址：被选中的从设备地址。
功能码：告知被选中的从设备要执行何种功能。
数据段：包含从设备要执行功能的附加信息。如：功能码“03”要求从设备读保持寄存器并响应寄存器的内容，则数据段必须包含要求从设备读取寄存器的起始地址及数量。
差错检测区：为从机提供一种数据校验方法，以保证信息内容的完整性。

4.2 Modbus请求报文的模式

在Modbus网络中，主设备向从设备发送Modbus请求报文的模式有两种：单播模式与广播模式：

单播模式：主设备寻址单个从设备。
广播模式：主设备向Modbus网络中的所有从设备发送请求报文，从设备接收并处理完毕后不要求返回响应报文。

MODBUS通信协议提供了ASCIl和RTU（远程终端单元）两种通信模式。
ASCll模式的主要优点是允许字符之间的时间间隔长达1S，也不会出现错误。
RTU模式的优点是在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCIl模式，每个信息必须连续传输。

4.3 ASCII消息帧格式

起始位：1位
数据长度：7位，低位先送
校验位：1位（有校验），0位（无校验）
停止位：1位（有校验），2位（无校验）
波特率：可选

ASCIl模式数据传送约定在数据格式中每个16进制字符（0_9）、（AF）都转换成ASCll码发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达1秒，而不产生错误。

图4.3.1

4.4 RTU消息帧格式

起始位：1位
数据长度：8位，低位先送
校验位：1位（有校验），0位（无校验）
停止位：1位（有校验），2位（无校验）
波特率：可选

图4.4.1

4.5 Modbus功能码

图4.5.1

举例如下：

03功能码规定：主至从的数据含义

图4.5.2

03功能码规定：从至主的数据含义

图4.5.3

RS-485基础知识