RS485
RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准,该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485使得连接本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能。
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式拓扑结构,在同一总线上最多可以挂接32个节点。
在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带多个从机。很多情况下,连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来,而忽略了信号地的连接,这种连接方法在许多场合是能正常工作的,但却埋下了很大的隐患,原因1是共模干扰:RS-485接口采用差分方式传输信号方式,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了,但容易忽视了收发器有一定的共模电压范围,RS-485收发器共模电压范围为-7到+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作;当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口;原因二是EMI的问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的返回通道(信号地),就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
典型的串行通讯标准是RS232和RS485,它们定义了电压,阻抗等,但不对软件协议给予定义,区别于RS232, RS485的特性包括:
- RS-485的电气特性: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。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片, 且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。
- RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。
- RS-485接口强,即抗噪声干扰性好。
- RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达 3000米(理论上的数据,在实际操作中,极限距离仅达1200米左右),另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座,与智能终端RS485接口采用DB-9(孔),与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。
网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。在构建网络时,应注意如下几点:
采用一条双绞线电缆作总线,将各个节点串接起来,从总线到每个节点的引出线长度应尽量短,以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有些网络连接尽管不正确,在短距离、低速率仍可能正常工作,但随着通信距离的延长或通信速率的提高,其不良影响会越来越严重,主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加,会造成信号质量下降。
应注意总线特性阻抗的连续性,在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性:总线的不同区段采用了不同电缆,或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装,再者是过长的分支线引出到总线。总之,应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
注意终端负载电阻问题,在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作,但随着距离的增加性能将降低。理论上,在每个接收数据信号的中点进行采样时,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握,美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配:当信号的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。
一般终端匹配采用终端电阻方法,RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终端电阻在RS-485网络中取120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100~120Ω。这种匹配方法简单有效,但有一个缺点,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折中。还有一种采用二极管的匹配方法,这种方案虽未实现真正的“匹配”,但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号,达到改善信号质量的目的,节能效果显著。
RS-485能够进行远距离传输主要得益于使用差分信号进行传输,当有噪声干扰时仍可以使用线路上两者差值进行判断,使传输数据不受噪声干扰。RS-485差分线路包括以下2个信号:
A:非反向(non-inverting)信号
B:反向(inverting)信号
也可能会有第3个信号,为了平衡线路正常动作要求所有平衡线路上有一个共同参考点,称为SC或者G。该信号可以限制接收端收到的共模信号,收发器会以此信号作为基准值来测量AB线路上的电压。RS-485标准中提到:
若是MARK(逻辑1),线路B信号电压比线路A高
若是SPACE(逻辑0),线路A信号电压比线路B高
注:不同的IC使用的信号标示方式不同,不过EIA的标准中只使用A和B的名称。数据为1时,信号B会比信号A要高。不过因为标准其中也提到信号A是“非反向信号”,信号B是“反向信号”。因此信号A、B的定义就更容易混淆了,许多组件制造商(错误的)依循了这个A/B的命名原则,所以具体定义需要实际参考设计厂家芯片手册。
为了不引起分歧,一种常用的命名方式是:
TX+ / RX+ 或D+来代替B(信号1时为高电平)
TX- / RX- 或D-来代替A(信号0时为低电平)
Modbus
Modbus是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。
ModBus网络是一个工业通信系统,由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。
ModBus网络只有一个主机,所有通信都由他发出。网络可支持247个之多的远程从属控制器,但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统,各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。
Modbus特点:
标准、开放,用户可以免费、放心地使用Modbus协议,不需要交纳许可证费,也不会侵犯知识产权。目前,支持Modbus的厂家超过400家,支持Modbus的产品超过600种。
Modbus可以支持多种电气接口,如RS-232、RS-485等,还可以在各种介质上传送,如双绞线、光纤、无线等。
Modbus的帧格式简单、紧凑,通俗易懂。用户使用容易,厂商开发简单。
- 深入了解 - Modbus协议深入讲解 - NI
基于RS-485的MODBUS_RTU协议格式
一般组网系统均采用主从总线结构,以监控计算机作为主机发起通信,多台智能仪表等设备作为从机,各从机在进行传输之前必需要等待来自主机的允许信号。主机可以发送和接收来自通信链上从机的信息,而从机则始终处于被动状态,随时准备相应来自主机的通信请求。
主机和从机之间搭建的RS-485 网络,硬件是采用RS-485 接线,主从式半双工通讯,主机呼叫从机地址,从机应答方式通讯。通信协议是MODBUS 通讯协议的RTU(远程终端设备)模式,数据帧10 位,1 个起始位,8 个数据位,1 个停止位,无校验。波特率:9600;19200;38400。
MODBUS 协议共有二十几个功能编码,经常用到MODBUS 协议的03H、06H、83H、86H 等几个功能编码就能够实现基本数据的传送。
例如主机希望读取1 号仪表第1 通道(寄存器地址0010)的瞬时值(假设为130),则只需要调用功能编码03H。主机请求和从机响应的帧格式如下:
主机发送:
第1 字节ARD : 从机地址码(=001~254)
第 2 字节03H : 读寄存器值功能码
第3、4 字节 : 要读的寄存器开始地址
第5、6 字节 : 要读的寄存器数量
第7、8 字节 : 从字节1 到6 的CRC16 校验和
从机回送:
浮点数:43020000 表示整数130 (符合IEEE-754 标准的单精度浮点数)
第1 字节ARD : 从机地址码(=001~254)
第2 字节03H : 返回读功能码
第3 字节 : 字节总数
第4~7 字节 : 寄存器数据
第8、9 字节 : 从字节1 到7 的CRC16 校验和
当从机接收错误时,从机回送:
第1 字节ARD : 从机地址码(=001~254)
第2 字节83H : 读寄存器值出错
第3 字节信息码 : 可查信息码表
第4、5 字节 : 从字节1 到3 的CRC16 校验和
在通信过程中,要确保主机和从机的对应关系正确。此外,用户可以根据实际需要配置合适的传输波特率。
功能码 | 名称 | 作用 |
---|---|---|
01 | 读取线圈状态 | 取得一组逻辑线圈的当前状态(ON/OFF) |
02 | 读取输入状态 | 取得一组开关输入的当前状态(ON/OFF) |
03 | 读取保持寄存器 | 在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 |
04 | 读取输入寄存器 | 在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值 |
05 | 强置单线圈 | 强置一个逻辑线圈的通断状态 |
06 | 预置单寄存器 | 把具体二进值装入一个保持寄存器 |
07 | 读取异常状态 | 取得8个内部线圈的通断状态,这8个线圈的地址由控制器决定,用户逻辑可以将这些线圈定义,以说明从机状态,短报文适宜于迅速读取状态 |
08 | 回送诊断校验 | 把诊断校验报文送从机,以对通信处理进行评鉴 |
09 | 编程(只用于484) | 使主机模拟编程器作用,修改PC从机逻辑 |
10 | 控询(只用于484) | 可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信,探询该从机是否已完成其操作任务,仅在含有功能码9的报文发送后,本功能码才发送 |
11 | 读取事件计数 | 可使主机发出单询问,并随即判定操作是否成功,尤其是该命令或其他应答产生通信错误时 |
12 | 读取通信事件记录 | 可是主机检索每台从机的ModBus事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完成,记录会给出有关错误 |
13 | 编程(184/384 484 584) | 可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑 |
14 | 探询(184/384 484 584) | 可使主机与正在执行任务的从机通信,定期控询该从机是否已完成其程序操作,仅在含有功能13的报文发送后,本功能码才得发送 |
15 | 强置多线圈 | 强置一串连续逻辑线圈的通断 |
16 | 预置多寄存器 | 把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器 |
17 | 报告从机标识 | 可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态 |
18 | (884和MICRO 84) | 可使主机模拟编程功能,修改PC状态逻辑 |
19 | 重置通信链路 | 发生非可修改错误后,是从机复位于已知状态,可重置顺序字节 |
20 | 读取通用参数(584L) | 显示扩展存储器文件中的数据信息 |
21 | 写入通用参数(584L) | 把通用参数写入扩展存储文件,或修改之 |
22~64 | 保留作扩展功能备用 | |
65~72 | 保留以备用户功能所用 | 留作用户功能的扩展编码 |
73~119 | 非法功能 | |
120~127 | 保留 | 留作内部作用 |
128~255 | 保留 | 用于异常应答 |
CRC16
ModBus 通信协议的CRC ( 冗余循环校验码)含2个字节, 即 16 位二进制数。CRC码由发送设备计算, 放置于所发送信息帧的尾部。接收设备再重新计算所接收信息的CRC, 比较计算得到的CRC是否与接收到的CRC相符, 如果两者不相符, 则认为数据出错。
1) 预置 1 个 16 位的寄存器为十六进制FFFF(即全为 1) , 称此寄存器为 CRC寄存器。
2) 把第一个 8 位二进制数据 (通信信息帧的第一个字节) 与 16 位的 CRC寄存器的低 8 位相异或, 把结果放于 CRC寄存器。
3) 把 CRC 寄存器的内容右移一位( 朝低位)用 0 填补最高位, 并检查右移后的移出位。
4) 如果移出位为 0, 重复第 3 步 ( 再次右移一位); 如果移出位为 1, CRC 寄存器与多项式A001 ( 1010 0000 0000 0001) 进行异或。
5) 重复步骤 3 和步骤 4, 直到右移 8 次,这样整个8位数据全部进行了处理。
6) 重复步骤 2 到步骤 5, 进行通信信息帧下一个字节的处理。
7) 将该通信信息帧所有字节按上述步骤计算完成后,得到的16位CRC寄存器的高、低字节进行交换。
8) 最后得到的 CRC寄存器内容即为 CRC码。
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常见CRC参数模型如下:
CRC算法名称 | 多项式公式 | 宽度 | 多项式 | 初始值 | 结果异或值 | 输入反转 | 输出反转 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CRC-4/ITU | x4 + x + 1 | 4 | 03 | 00 | 00 | true | true |
CRC-5/EPC | x5 + x3 + 1 | 5 | 09 | 09 | 00 | false | false |
CRC-5/ITU | x5 + x4 + x2 + 1 | 5 | 15 | 00 | 00 | true | true |
CRC-5/USB | x5 + x2 + 1 | 5 | 05 | 1F | 1F | true | true |
CRC-6/ITU | x6 + x + 1 | 6 | 03 | 00 | 00 | true | true |
CRC-7/MMC | x7 + x3 + 1 | 7 | 09 | 00 | 00 | false | false |
CRC-8 | x8 + x2 + x + 1 | 8 | 07 | 00 | 00 | false | false |
CRC-8/ITU | x8 + x2 + x + 1 | 8 | 07 | 00 | 55 | false | false |
CRC-8/ROHC | x8 + x2 + x + 1 | 8 | 07 | FF | 00 | true | true |
CRC-8/MAXIM | x8 + x5 + x4 + 1 | 8 | 31 | 00 | 00 | true | true |
CRC-16/IBM | x16 + x15 + x2 + 1 | 16 | 8005 | 0000 | 0000 | true | true |
CRC-16/MAXIM | x16 + x15 + x2 + 1 | 16 | 8005 | 0000 | FFFF | true | true |
CRC-16/USB | x16 + x15 + x2 + 1 | 16 | 8005 | FFFF | FFFF | true | true |
CRC-16/MODBUS | x16 + x15 + x2 + 1 | 16 | 8005 | FFFF | 0000 | true | true |
CRC-16/CCITT | x16 + x12 + x5 + 1 | 16 | 1021 | 0000 | 0000 | true | true |
CRC-16/CCITT-FALSE | x16 + x12 + x5 + 1 | 16 | 1021 | FFFF | 0000 | false | false |
CRC-16/X25 | x16 + x12 + x5 + 1 | 16 | 1021 | FFFF | FFFF | true | true |
CRC-16/XMODEM | x16 + x12 + x5 + 1 | 16 | 1021 | 0000 | 0000 | false | false |
CRC-16/DNP | x16 + x13 + x12 + x11 + x10 + x8 + x6 + x5 + x2 + 1 | 16 | 3D65 | 0000 | FFFF | true | true |
CRC-32 | x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1 | 32 | 04C11DB7 | FFFFFFFF | FFFFFFFF | true | true |
CRC-32/MPEG-2 | x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1 | 32 | 04C11DB7 | FFFFFFFF | 00000000 | false | false |
代码
- 具体使用计算法还是查表法就看是想要牺牲CPU还是内存了。
计算法(已产品验证)
1 | /* CRC --------------------------------------------------------------*/ |
查表法16
1 | static uint16_t const CRC16Table[256] = { |
查表法16-8(已产品验证)
1 | const uint8_t CRC16TableHi[] = { |