一文了解串口通訊與MODBUS協(xié)議

1. 基本的通訊方式

基本的通訊方式有并行通訊和串行通訊兩種。

并行通信：是指數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送的通信方式。

串行通信：是指數(shù)據(jù)一位一位順序傳送的通信方式。

2. 串行通訊的兩種方式

串行通信的兩種基本形式：同步通信和異步通信。

異步通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式是由1個起始位、1～9個數(shù)據(jù)位、1～2個停止位組成，依靠起始位和停止位保持同步；

同步通信所傳輸數(shù)據(jù)幀格式是由多個字節(jié)組成的一個幀，每個幀都有兩個（或一個）同步字符作為起始位以觸發(fā)同步時鐘開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

3. 根據(jù)傳送方向分類

根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。 如果在通信過程的任意時刻，信息只能由一方A傳到另一方B，則稱為單工。如果在任意時刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。如果在任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸，則稱為全雙工。

4. 串行通訊接口

串行通訊物理接口按電氣標準及協(xié)議來分包括RS-232、RS-422、RS485等，這里主要講一些最常用的RS485接口。

5. RS485接口電路

作為一個經(jīng)常被應用到的SP485R芯片的示范電路，可以被直接嵌入實際的RS-485應用電路中。微處理器的標準串行口通過RXD 直接連接SP485R 芯片的RO 引腳，通過TXD直接連接SP485R 芯片的DI 引腳。

由微處理器輸出的R/D 信號直接控制SP485R 芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D 信號為“1”，則SP485R 芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時微處理器可以向RS-485 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D 信號為“0”，則SP485R 芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，此時微處理器可以接收來自RS-485 總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。此電路中，任一時刻SP485R 芯片中的“接收器”和“發(fā)送器”只能夠有1 個處于工作狀態(tài)。

連接至A 引腳的上拉電阻R7、連接至B 引腳的下拉電阻R8 用于保證無連接的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡失效保護，以提高RS-485 節(jié)點與網(wǎng)絡的可靠性。

如果將SP485R 連接至微處理器80C51 芯片的UART 串口，則SP485R 芯片的RO 引腳不需要上拉；否則，需要根據(jù)實際情況考慮是否在RO 引腳增加1 個大約10K 的上拉電阻。

6. 串口MODBUS通訊

Modbus作為工業(yè)通信回路中數(shù)據(jù)交換的規(guī)則已經(jīng)被廣泛地應用在各個領域，使得具有Modbus 通信協(xié)議的設備方便通信，例如PLC、變頻器、流量計、溫濕度、上位機組態(tài)軟件、各種傳感器儀表等。

Modbus通信協(xié)議分為兩種串行通信模式，ASCII 和RTU 通信模式。在使用時，需要先設定通信模式以及串行口RS232、RS485的通信參數(shù)(波特率，奇偶校驗，從機地址，數(shù)據(jù)位，停止位，字節(jié)順序)，在Modbus 總線上的所有設備應具有相同的通信模式和串行通信參數(shù)

modbus信息幀結構組成

7. MODBUS命令報文

讀數(shù)據(jù)

主站發(fā)送

返回：

8. MODBUS關鍵概念

（1）上位機讀取數(shù)據(jù)每次間隔時間一般不小于100ms

（2）設備地址：MODBUS從機通訊地址，在一個網(wǎng)絡中不能有兩個相同的地址。（3）功能碼：MODBUS 協(xié)議規(guī)定的功能碼

（4）寄存器地址和寄存器數(shù)

主站命令中的參數(shù)是從寄存器地址開始的寄存，讀寄存器長度的N個寄存器。（5）從站響應數(shù)據(jù)

從站響應數(shù)據(jù)是：字節(jié)數(shù)和N個數(shù)字節(jié)數(shù)據(jù)。

9. MODBUS主站常用操作

1）讀優(yōu)化：對于不連續(xù)地址的數(shù)據(jù)讀取，是否采取打包讀，則系統(tǒng)使用打包讀命令，一次性完成多個地址的讀取。

2）讀優(yōu)化間隔：讀優(yōu)化時，若地址之間小于此間隔，則會打包到一起，使用多讀命令一次讀取。

3）最大包長：一次通訊允許的最大數(shù)據(jù)長度。

4）字節(jié)順序：調整32位雙字的解碼順序。

以32位整數(shù)為例，說明字節(jié)順序的含義:

1234：表示雙字元件不做處理直接解碼,。

例如：從串口讀到的數(shù)據(jù)為0000 00 01 表示 1。

2143：表示雙字元件高低字不顛倒，但字內(nèi)高低字節(jié)顛倒。

例如：從串口讀到的數(shù)據(jù)為0000 00 01 表示 0x00000100 （即256）。

3412：表示雙字元件高低字顛倒，但字內(nèi)高低字節(jié)不顛倒。

例如：從串口讀到的數(shù)據(jù)為0000 00 01 表示 0x00010000 （即65536）。

4321：表示雙字元件內(nèi)4個字節(jié)全部顛倒。

例如：從串口讀到的數(shù)據(jù)為00 00 00 01 表示 0x0100 0000 （即1677 721

10. C語言MODBUS程序

(1).CRC16算法：

INT16U CRC16(INT8U *puchMsg, INT16U usDataLen)

{

INT8U uchCRCHi = 0xFF; /* 高CRC字節(jié)初始化 */

INT8U uchCRCLo = 0xFF; /* 低CRC 字節(jié)初始化 */

INT8U uIndex; /* CRC循環(huán)中的索引 */

while (usDataLen--) /* 傳輸消息緩沖區(qū) */

{

uIndex = uchCRCHi ^*puchMsg++;   /* 計算CRC */

  uchCRCHi = uchCRCLo ^auchCRCHi[uIndex];

  uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex];

}

return (uchCRCHi << 8 |uchCRCLo);

}

（2）發(fā)送命令程序

本例程以Mag64為核心CPU

void Read_InPut(INT8U Addr,INT16UStart,INT16U Len)

{

INT16U CRC;

SendBuffer_485[0]=Addr; //設備地址

SendBuffer_485[1]=0x04; //modbus功能碼

SendBuffer_485[2]=Start/256; //Start為寄存器地址

SendBuffer_485[3]=Start%256;

SendBuffer_485[4]=Len/256; //Len為讀取寄存器長度

SendBuffer_485[5]=Len%256;

CRC=CRC16(SendBuffer_485,6);

SendBuffer_485[6]=CRC/256; //CRC校驗高位

SendBuffer_485[7]=CRC%256; //CRC校驗低位

R485_OUT; //使能RS485發(fā)送

SendLen_485=8;

SendNum_485=0;

CloseINT0(); //關閉串口接受中斷

UCSR0B |= BIT(UDRIE0); //打開串口發(fā)送中斷

}

（3）返回數(shù)據(jù)解析

數(shù)據(jù)接收使用串口中斷，ReceivedBuffer_485為接收數(shù)據(jù)組，ReceivedNum_485為接收到數(shù)據(jù)長度，ReceivedFlag_485接收到數(shù)據(jù)標志。函數(shù)float Datasum(INT8UBYTE1, INT8U BYTE2, INT8U BYTE3, INT8U BYTE4)把浮點數(shù)的4個字節(jié)轉換為1個浮點數(shù)。

float Datasum(INT8U FloatByte1, INT8U FloatByte2,INT8U FloatByte3, INT8U FloatByte4)

{

float aa;

union IntTOFP

{

FP32       F32;

  INT8U      T8[4];

};

union IntTOFPaa;

aa.T8[0] = FloatByte1;

aa.T8[1] = FloatByte2;

aa.T8[2] = FloatByte3;

aa.T8[3] = FloatByte4;

return aa;

}

void Read_Lmag(INT8U Ad)

{

INT8U i,j;

INT8U Num1[10],BIT;

INT16UCRC1,CRC2;

FP32 Flow; //aaa為瞬時流量數(shù)值

ReceivedFlag_485=1;

Open_Time1_Ms5(20);

Read_InPut(Ad,0x1010,2); //發(fā)送設備地址、寄存器地址、寄存器長度

while(ReceivedFlag_485); //等待接收結束

if((ReceivedNum_485==9)&&(ReceivedBuffer_485[0]==Ad)) // 判斷數(shù)據(jù)是否正確

{

CRC1=CRC16(ReceivedBuffer_485,7);                

 CRC2=ReceivedBuffer_485[7]*256+ReceivedBuffer_485[8];

  if(CRC1==CRC2)

  {// 轉換數(shù)據(jù)為浮點數(shù)

Flow= Datasum(ReceivedBuffer_485[6], ReceivedBuffer_485[5], ReceivedBuffer_485[4] ,ReceivedBuffer_485[3])；

}

}

}

11. MODBUS調試軟件MODBUS PULL

以從站地址為1，波特率9600,讀取所有實時數(shù)據(jù)為例設置方法如下:

按照表2所示：起始寄存器地址4113 寄存器個數(shù)為22

1. 設置采集命令包括設備地址（1）、MODBUS功能碼（04）、寄存器地址（4113）、寄存器長度（2）、采集間隔（1000）。

2.設置串口數(shù)據(jù)

根據(jù)從機串口格式(1位起始位 8位數(shù)據(jù)位 1位停止位,無校驗)設置如下圖：

3.設置數(shù)據(jù)顯示格式

4.通訊成功界面