RS485_RS232_CAN_Modbus总线协议

RS485通信

简介

RS485 是美国电子工业协会于1983年发布的串行通信接口标准。
RS485 是一种工业控制环境中常用的通讯协议，其中RS 是 Recommended Standard 的缩写。
RS485 是 半双工异步串行通信。

特点

• 总线式拓扑：RS485支持多个设备在同一条总线上进行双向通信，可以构成总线式拓扑结构
• 支持多节点：同一总线上一般最大支持 32 个节点。
• 传输距离远：最远通讯距离可达1200米。
• 抗干扰能力强：差分信号传输（差分信号中，逻辑0和逻辑1是用两根信号线（A+和B-）的电压差来表示。）
• 连接简单：只需要两根信号线（A+和B-）就可以进行正常的通信。

连接方式

TTL电平：TTL电平即单片机引脚直接提供的电平，逻辑0代表低电平，逻辑1代表高电平，输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V

• RS485 通信网络中，通常会使用 485 收发器来转换 TTL 电平和 RS485 电平。
• 节点中的串口控制器使用 RX 与 TX 信号线连接到 485 收发器上，而收发器通过差分线连接到网络总线。
• 串口控制器与收发器之间一般使用 TTL 信号传输，收发器与总线则使用差分信号来传输。
• 发送数据时，串口控制器的 TX 信号经过收发器转换成差分信号传输到总线上。
• 接收数据时，收发器把总线上的差分信号转化成 TTL 信号通过 RX 引脚传输到串口控制器中。
• 通常在这些节点中只能有一个主机，剩下的全为从机。
• 在总线的起止端分别加了一个 120 欧的匹配电阻。

RS485收发器——SP3485

单片机串口通信一般是TTL电平，如果需要RS485 通信，就需要RS485芯片在中间转换成差分信号电平。



RS485 普通收发电路图原理

• RS485_EN 为高电平，逻辑为1，发送使能，接收禁止。
• RS485_EN 为低电平，逻辑为0，发送禁止，接收使能

在编写驱动程序时：

• 在发送数据前，给RS485_EN 置高电平。
• 在发送数据后，给RS485_EN 置低电平。

RS232

简介

RS-232接口符合电子工业联盟（EIA）建立的串行数据通信接口标准。原始编号是EIA-RS-232（简称232，RS232）。它广泛用于计算机串行接口外设连接。连接电缆以及机械、电气、信号和传输过程。

特点

• RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的
• 接口信号电平高，容易损坏接口电路的芯片。与TTL电平不兼容，需要一个电平转换电路来连接到TTL电路。
• 传输速率低。在异步传输中，比特率为20Kbps;因此，在51CPLD开发板中，集成程序波特率只能是19200，这也是原因。
• 接口采用信号线和信号回波串，形成共同的接地传输形式。这种标准的接地传输容易受到共模干扰，因此抗噪性较弱。
• 传输距离有限。最大传输距离为50英尺。它只能达到大约15米。

RS232 和 RS485 的区别

• **工作模式：**RS232 为全双工，RS485 为半双工。
• **传输方式：**RS485和RS232只是物理协议的通信（即接口标准），RS485是差分传输方式，RS232是单端传输方式，但通信程序没有太大区别。
• **信号线：**RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 。
• **抗干扰性：**RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。RS232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰。
• **传输距离：**RS485接口的最大传输距离标准值为 1200 米(9600bps 时)，实际上可达 3000 米。RS232传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 米，实际上也只能用在 15 米左右。
• **通信能力：**RS485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器，用户可以利用单一的 RS485 接口方便地建立起设备网络。RS232只允许一对一通信。
• **传输速率：**RS232传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。RS485 的数据最高传输速率为10Mbps 。
• **电气电平值：**RS485的逻辑"1"以两线间的电压差为+(2-6) V 表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-(2-6)V表示。在 RS-232 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑"1"，-(5-15)V；逻辑"0 " +(5- 15)V

CAN总线协议

简介

CAN总线通信系统是串行通信的一种，要优于RS485总线，是目前比较常用的一种工业总线，如汽车的电气部分就采用CAN总线实现通信。

特点

CAN通讯是一种异步半双工通讯。（同步即在同一个时钟驱动下数据通信，半双工即接受与发送不能同时进行）

汽车工业蓬勃发展，汽车的电子控制单元逐渐增多。各电控单元之间的信号交换导致汽车线束的级数增加，复杂粗大的线束与汽车有限的布线空间之间矛盾越来越突出，繁多的线束导致电气系统可靠性下降，同时增加了重量。
CAN总线将汽车内部各电控单元之间连接成一个局域网络，实现了信息的共享，大大减少了汽车的线束

数据传输原理实现

由上图可知，CAN通信是通过两根线完成的：

• 一条是黄色的CAN_High
• 一条是绿色的CAN_Low

按照定义：

• CAN_High - CAN_Low < 0.5V 时候为隐性的，逻辑信号表现为"逻辑1"，即高电平。
• CAN_High - CAN_Low > 0.9V 时候为显性的，逻辑信号表现为"逻辑0"，即低电平。

在总线上显性电平具有优先权，只要有一个节点输出显性电平，总线上即为显性电平。而隐形电平则具有包容的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平（显性电平比隐性电平更强）

由上图可知， 没有数据发送或者发送数据0时，两条线的电平一样都为2.5V，两条线的电压差小于0.5V；当发送数据1时，CAN_High电压升高，CAN_Low电压降低，两条线电压差大于0.9V时，认为数据为逻辑0；
所以CAN使用的是差分信号，差分信号稳定性更好，因为即使环境问题导致CAN_High电压发送变化，则CAN_L也会发送同等变化，两者做差即可抵消由于这个环境引起的变化。

空闲状态

在CAN协议中，当总线上的上出现连续的11位隐性电平（两根线电压差小于0.5V），表示总线就处于空闲状态。由于显性电平的高优先级特性，必须所有CAN主机都连续发送11个隐性电平，或者不发送时，总线才能出现连续11个隐性电平，即处于空闲状态。
需要在总线一开始工作的时候，所有节点都输出隐性电平；已知在一次传输时该节点输出显性电平，则在传输完成后该节点再输出隐性电平即可，这样就能将总线在无数据传输时保持空闲状态。
每次发送数据前，节点都会监听总线的状态，如果总线状态为空闲时，它就会立即向总线上发送自己的数据，这个数据里不仅有数据，还有本身的ID信息或者其他的控制指令，应称为数据包(数据帧)，也叫做报文。当报文被传输到其它节点时，只要这些节点按格式去解读，就能还原出原始数据。

Modbus

简介

Modbus提供通用语言用于彼此通信的设备和设备。
Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议

特点

• Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求
• Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等
• Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络
• Modbus协议是一种应用层报文传输协议，协议本身并没有定义物理层，定义了控制器能够认识和使用的消息结构，不管它们是经过何种网络进行通信的。

通信过程

Modbus是一主多从的通信协议
Modbus通信中只有一个设备可以发送请求。其他从设备接收主机发送的数据来进行响应，从机是任何外围设备，如I/O传感器，阀门，网络驱动器，或其他测量类型的设备。从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。
也就是说,不能Modbus同步进行通信,主机在同一时间内只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输,即主机发送,从机应答,主机不发送,总线上就没有数据通信。
从机不会自己发送消息给主站，只能回复从主机发送的消息请求。

Modbus并没有忙机制判断，比方说主机给从机发送命令， 从机没有收到或者正在处理其他东西，这时候就不能响应主机，因为modbus的总线只是传输数据，没有其他仲裁机制，所以需要通过软件的方式来判断是否正常接收。