RS-485和Modbus通信协议及工作原理

在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。最初采用的方式是RS232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁千扰，会导致信号传输错误。

1979年施耐德电气制定了一个用于工业现场的总线协议Modbus协议，现在工业中使用RS485通信场合很多都采用Modbus协议，所以今天我们来了解下RS485通信和Modbus通信协议。

什么是串口通信

串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并目可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。

RS-485协议概述

RS-485和RS-232一样，都是审行通信标准，现在的标准名称是TIA485/EIA-485-A，但是人们会习惯称为RS485标准，RS-485常用在工业、自动化、汽车和建筑物管理等领域。

RS-485总线弥补了RS-232通信距离短，速率低的缺点，RS-485的速率可高达10Mbit/s，理论通讯距离可达1200米；RS-485和RS-232的单端传输不一样是差分传输，使用一对双绞线，其中一根线定义为A，另一个定义为B。

通常情况下，RS485的信号在传送出去之前会先分解成正负对称的两条线路(即我们常说的A、B信号线)，当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。

拓扑结构

RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点

RS-485总线同12C总线一样支持主从模式，支持点对点单从机模式，也支持多从机模式，不支持多主机模式。

长距离布线会有信号衰减，而且引入噪声和干扰的可能性更大，在线缆A和B上的表现就是电压幅度的变化，但是，采用差分线的好处就是，差值相减就会忽略掉干扰依旧能输出正常的信号，把这种差分接收器忽略两条信号线上相同电压的能力称为共模抑制。

标准规定了，逻辑1: +2V to +6V: 逻辑0: -6V to -2V.

RS-485不需要使用特定的总线电压，只看最小差分电压，在较长的电缆长度上，接收器接收到的电压可能会降低到+/- 200 mV，这对于RS-485仍然是完全可以接受的，这也是RS-485的优点之一。

RS485通常标有A+和B-，RS485的电平指的是两根传输线间的电压差，而不是传输线上的电压。

RS485接线方式

与电脑进行通信时，需要转换器，常见的设备有：USB转RS485转换器，RS232转RS485转换器，以太网转RS485串口服务器。

RS485典型组网结构

RS485总线采用手拉手的总线结构方式。

什么是Modbus协议

在RS485的通信方式中，RS485总线上可以挂载多个设备，但是RS485是一种半双工的通信方式(在一个时间段只能与一个设备通信)，如果不对挂载的节点设备加以限制，会引起通信紊乱的问题。为了解决数据传输紊乱的问题，我们得对RS485通信加以规则限制，来保证通信的稳定性和可靠性。

举个例子来说明RS485通信协议与Modbus通信协议的关系：

我们把城市A看做主机，城市B看做从机，如果两个城市之间要想进行经济往来(数据传输)，那么第1件事就是修路，而这里的公路就是rs485总线；既然公路修好了，就可以通车了，但如果我们不对路上的车辆加以限制的话，那发生交通事故的可能性就会很大，所以我们制定了一套交通规则去限制车辆的行驶，而这个"交通规则"就是Modbus串行通信协议。

Modbus是应用层的一种串行通信协议，包括：Modbus RTU、Modbus ASCII 和Modbus TCP三种，其中Modbus RTU与Modbus ASCII均为支持RS-485总线的通信协议，Modbus TCP是支持以太网的通信协议。

Modbus 协议是一个主从架构的协议，有一个主节点，其他使用 Modbus 协议参与通信的节点是从节点，每一个从设备都有一个唯一的设备地址。

Modbus是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。Modbus功能码是 Modbus请求/应答 PDU(协议数据单元)的元素。

RS485协议与Modbus协议的区别

RS485 Modbus RTU指令解码

从机地址：从机ID,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)

功能码：占用一个字节,功能码的意义就是知道这个指令是干啥的.常用的有03、04、06、16；03和04是READ，06和16是WRITE

数据区：从机的数据，此区域查询数据的地址和查询字节数等。

校验：CRC检验是检测接收的数据是否正确

RS-485通信的应用

工业控制

RS-485通信在工业自动化领域中应用非常广泛。在工业控制系统中，RS-485通信可以用于连接PLC(可编程逻辑控制器)、传感器、执行器等设备，实现设备之间的数据交换和控制。例如，在一条生产线上，RS-485通信可以实现各个设备之间的协调工作，确保生产线的正常运行。

采用RS485通信接口，支持Modbus协议的空气温湿度传感器

智能家居

随着物联网的兴起，家庭自动化逐渐成为了一个新兴的领域。RS-485通信可以用于连接家庭自动化设备，如温度传感器、智能灯具、智能家电等，实现设备之间的互联互通。通过RS-485通信，这些设备可以相互协作，实现智能化的家居生活。

采用RS485通信接口，支持Modbus协议的二氧化碳传感器

其他领域

除了工业控制和家庭自动化领域，RS-485通信还广泛应用于电力、交通、医疗等领域。例如，在电力系统中，RS-485通信可以用于监测电力设备状态、采集电能数据等。

推荐设备：

EdgeBox-RPI-200 边缘计算控制器

EdgeBox-RPI-200 是基于树莓派的一体化工业边缘计算控制器，结合了多种工业用途。设计为高可扩展性和坚固耐用的工业硬件，安装丰富的IO资源，并由强大的Raspberry Pi工业软件生态系统提供支持，是智能自动化和工业物联网（IIoT）解决方案的理想选择。

特征

一体化工业控制器：

它不仅仅是一个PLC，PAC，它更可以实现IIoT网关，OPC UA服务器和工业PC的功能。

强大而灵活的处理器：

由树莓派计算模块 4 （CM4） 提供支持，配备高达 2GB RAM 和 8GB eMMC，执行实时操作和多进程。

丰富的 IO 资源和已安装的工业接口：

支持多种工业总线协议和标准

多种通信能力：

提供全功能无线互连和 RJ45 千兆以太网，由多种云服务支持

坚固耐用的工业级硬件设计：

集成热管理，全铝散热器外壳，支持 35mm DIN 和壁挂式安装

伟大的树莓派工业软件生态系统：

支持多种工业软件和平台，包括Codesys，Node-Red，MQTT，OPC UA，Ignition等。

写在最后

RS485通信总线是一种半双工通信总线，在同一时间只能接受或发送，可以挂载多个节点设备。

为了解决主机与从机通信的稳定性和可靠性，我们规定了主从模式，同一时刻只能一主一从进行通信。但主机和从机用什么样的数据帧进行通信还没有确定。

Modbus协议规定了主机与从机通信的数据格式，相对于自定义的数据格式，Modbus的兼容性更强。

审核编辑：汤梓红