工业机器人（5）-串口通信技术与MODBUS协议
目錄
1.?基本的通訊方式
擴(kuò)展資料
串行和并行的區(qū)別
2.?串行通訊的兩種方式
3.?根據(jù)傳送方向分類
4.?串行通訊接口
5. RS485接口電路
6. 串口MODBUS通訊
7. MODBUS消息報(bào)文
8. MODBUS關(guān)鍵概念
9. MODBUS主站常用操作
10 示例程序
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。
在遠(yuǎn)程通信和計(jì)算機(jī)科學(xué)中，串行通信（英語：Serial communication）是指在計(jì)算機(jī)總線或其他數(shù)據(jù)通道上，每次傳輸一個(gè)位元數(shù)據(jù)，并連續(xù)進(jìn)行以上單次過程的通信方式。與之對(duì)應(yīng)的是并行通信，它在串行端口上通過一次同時(shí)傳輸若干位元數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行通信。
? ? ? 串行通信被用于長(zhǎng)距離通信以及大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，在這些應(yīng)用場(chǎng)合里，電纜和同步化使并行通信實(shí)際應(yīng)用面臨困難。
? ? ?憑借著其改善的信號(hào)完整性和傳播速度，串行通信總線正在變得越來越普遍，甚至在短程距離的應(yīng)用中，其優(yōu)越性已經(jīng)開始超越并行總線不需要串行化元件(serializer)，并解決了諸如時(shí)鐘偏移（Clock skew）、互聯(lián)密度等缺點(diǎn)。PCI到PCI Express的升級(jí)就一個(gè)例子。
并行通信：是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)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。
擴(kuò)展資料
1. 基本概念：
并發(fā)(Concurrency)：以可獨(dú)立執(zhí)行的進(jìn)程集合的方式編程（進(jìn)程是出了名的難定義，這里是通常意義上的進(jìn)程，不是Linux進(jìn)程）? ? ?
并行(Parallelism)：以可同時(shí)執(zhí)行的（可能相關(guān)的）計(jì)算指令方式編程。
2.?串行通信和并行通信區(qū)別：
? ? ? ?這里說的通信是指數(shù)字信號(hào)。 數(shù)字信號(hào)是8位二進(jìn)制數(shù)，可以使用信號(hào)線傳輸，一種方案是使用一條數(shù)據(jù)線按照次序一個(gè)位一個(gè)位的傳送，每傳送完8位為一個(gè)字節(jié)，叫串行通信。另一種方法是使用8條數(shù)據(jù)線分別傳送8位，一次傳送一個(gè)字節(jié)，叫并行通信。 實(shí)際傳輸有可能不是8位數(shù)據(jù)而是其它，但原理是相同的。 理論上并行速度比較快，但是串行口線間干擾小，稍遠(yuǎn)的距離速度不低于并行口。
? ? ? 并行通信傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位，同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸。發(fā)送設(shè)備將這些數(shù)據(jù)位通過對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。接收設(shè)備可同時(shí)接收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可直接使用。并行方式主要用于近距離通信。計(jì)算機(jī)內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信的例子。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，處理簡(jiǎn)單。
? ? ?串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?#xff0c;先由具有幾位總線的計(jì)算機(jī)內(nèi)的發(fā)送設(shè)備，將幾位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并–串轉(zhuǎn)換硬件轉(zhuǎn)換成串行方式，再逐位經(jīng)傳輸線到達(dá)接收站的設(shè)備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉(zhuǎn)換成并行方式，以供接收方使用。串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅枚?#xff0c;但對(duì)于覆蓋面極其廣闊的公用電話系統(tǒng)來說具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。
串行和并行的區(qū)別
1、數(shù)據(jù)傳送方式不同：串行口傳輸方式為數(shù)據(jù)排成一行、一位一位送出接收也一樣,并行口傳輸8位數(shù)據(jù)一次送出.
2、針腳不同：串行口針腳少、并行口針腳多.
3、用途不同：串行口現(xiàn)在只用作控制接口、并行口多用作打印機(jī)、掃描儀等接口。
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(gè)起始位、1～9個(gè)數(shù)據(jù)位、1～2個(gè)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(gè)字節(jié)組成的一個(gè)幀，每個(gè)幀都有兩個(gè)（或一個(gè)）同步字符作為起始位以觸發(fā)同步時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個(gè)方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。如果在任意時(shí)刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號(hào)傳輸，則稱為全雙工。
4.?串行通訊接口
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? ? ? 串行通訊物理接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分包括RS-232、RS-422、RS485等，工業(yè)界常用RS485接口。
RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。
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? ? ?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，多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(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，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，
原因1是共模干擾：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，但容易忽視了收發(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到+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；
原因2是EMI的問題：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。
RS485 通訊線纜結(jié)構(gòu)圖
5. RS485接口電路
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作為一個(gè)經(jīng)常被應(yīng)用到的SP485R芯片的示范電路，可以被直接嵌入實(shí)際的RS-485應(yīng)用電路中。微處理器的標(biāo)準(zhǔn)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(hào)直接控制SP485R 芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D 信號(hào)為“1”，則SP485R 芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)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(hào)為“0”，則SP485R 芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，此時(shí)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(shí)刻SP485R 芯片中的“接收器”和“發(fā)送器”只能夠有1 個(gè)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(luò)失效保護(hù)，以提高RS-485 節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)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(shí)際情況考慮是否在RO 引腳增加1 個(gè)大約10K 的上拉電阻。
參考文獻(xiàn)：https://mp.weixin.qq.com/s/qCGk-d1g5Ej7d0s3fz38PQ
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(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，使得具有Modbus 通信協(xié)議的設(shè)備方便通信，例如PLC、變頻器、流量計(jì)、溫濕度、上位機(jī)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(shí)，需要先設(shè)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(yàn)，從機(jī)地址，數(shù)據(jù)位，停止位，字節(jié)順序)，在Modbus 總線上的所有設(shè)備應(yīng)具有相同的通信模式和串行通信參數(shù)：
7. MODBUS消息報(bào)文
8. MODBUS關(guān)鍵概念
（1）上位機(jī)：讀取數(shù)據(jù)每次間隔時(shí)間一般不小于100ms
（2）設(shè)備地址：MODBUS從機(jī)通訊地址，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不能有兩個(gè)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(zhǎng)度的N個(gè)寄存器。
（5）從站響應(yīng)數(shù)據(jù)
?從站響應(yīng)數(shù)據(jù)是：字節(jié)數(shù)和N個(gè)數(shù)字節(jié)數(shù)據(jù)。
9. MODBUS主站常用操作
1）讀優(yōu)化：對(duì)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(gè)地址的讀取。
2）讀優(yōu)化間隔：讀優(yōu)化時(shí)，若地址之間小于此間隔，則會(huì)打包到一起，使用多讀命令一次讀取。
3）最大包長(zhǎng)：一次通訊允許的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
4）字節(jié)順序：調(diào)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(gè)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 示例程序
(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(jì)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CPUvoid Read_InPut(INT8U Addr,INT16UStart,INT16U Len){INT16U CRC;SendBuffer_485[0]=Addr; //設(shè)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(zhǎng)度SendBuffer_485[5]=Len%256;CRC=CRC16(SendBuffer_485,6);SendBuffer_485[6]=CRC/256; //CRC校驗(yàn)高位SendBuffer_485[7]=CRC%256; //CRC校驗(yàn)低位R485_OUT; //使能RS485發(fā)送SendLen_485=8;SendNum_485=0;CloseINT0(); //關(guān)閉串口接受中斷UCSR0B |= BIT(UDRIE0); //打開串口發(fā)送中斷}（3）返回?cái)?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(zhǎng)度，ReceivedFlag_485接收到數(shù)據(jù)標(biāo)志。函數(shù)float Datasum(INT8UBYTE1, INT8U BYTE2, INT8U BYTE3, INT8U BYTE4)把浮點(diǎn)數(shù)的4個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換為1個(gè)浮點(diǎn)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(shí)流量數(shù)值ReceivedFlag_485=1;Open_Time1_Ms5(20);Read_InPut(Ad,0x1010,2); //發(fā)送設(shè)備地址、寄存器地址、寄存器長(zhǎng)度while(ReceivedFlag_485); //等待接收結(jié)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)數(shù)Flow= Datasum(ReceivedBuffer_485[6], ReceivedBuffer_485[5], ReceivedBuffer_485[4] ,ReceivedBuffer_485[3])；}}}?
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的工业机器人（5）-串口通信技术与MODBUS协议的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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