【文章內(nèi)容簡介】 當共模電壓超過 +12v 或者小于 9v時，就很可能燒毀芯片或設(shè)備。所以，在大多數(shù)的工業(yè)現(xiàn)場，都會使用隔離型 485芯片，由于條件有限，所以本設(shè)計中采用的是沒有隔離型的 MAX485 芯片，在實際應(yīng)用中可以使用完全隔離型 RS485 電路，可采用 ADM287E 芯片或者其它隔離型 485芯片。 485 總線時，總線上由于信號的傳輸會產(chǎn)生回波反射 信號，所以在總線的兩端應(yīng)當并聯(lián)終端電阻。 485 總線電路中的供電部分可以分為兩種：一種是有源供電，另一種是無源供電，由于無源供電占用空間小，所以在本設(shè)計中采用的是無源供電，具體的電路將在第五章說到。無源供電雖然占用空間小，但是供電能力差，負載能力不足，而且穩(wěn)定性不夠，所以在實際工業(yè)現(xiàn)場建議使用有源供電的方式。 485 總線時要注意的一點是，要將使用的屏蔽雙絞線的屏蔽層一個點接地，不能多點接地，這樣可以防止共模干擾。 RS485 總線布線方法 RS485 總線在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，最典型的 布線方式就是總線型拓撲結(jié)構(gòu)。但是在工業(yè)現(xiàn)場中會涉及到不用的領(lǐng)域，不同的現(xiàn)場環(huán)境，所以在實際的應(yīng)用中會采用不同的拓撲形式，僅僅采用總線型不僅會是線路變得繁瑣，而且還會浪費大量的連線。所以在工業(yè)現(xiàn)場中，可以使用 485 集線器或者 485 中繼器，這樣就可以將總線型拓撲結(jié)構(gòu)很容易的就改成樹型或者星型拓撲網(wǎng)絡(luò)。這樣不僅變得更加靈活，而且在后期的維護或者出現(xiàn)問題時會更加的方便。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 7 3. Modbus 通信協(xié)議 Modbus 協(xié)議概述 Modbus 通信協(xié)議使用在工業(yè)通信中非常常用的一種通信協(xié)議。 Modbus 通信協(xié)議是由 Modicon 公司（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在 1979 年發(fā)明的， Modbus是全球第一個真正應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議而且它也是目前工業(yè)、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的通信協(xié)議之一?，F(xiàn)已有超過 75%的非施耐德公司產(chǎn)品使用Modbus 通信協(xié)議并且節(jié)點數(shù)安裝超過了 1000 萬個。 Modbus 的特點：（ 1） Modbus 協(xié)議完全免費，為所有用戶開放，而且支持 Modbus的產(chǎn)品多。（ 2）支持多種電氣接口和各種傳輸介質(zhì)。（ 3） Modbus 傳輸幀格式簡單、傳輸效率高、可靠性高。 Modbus 在 OSI（ Open System Interconnection 開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型）的第二層，具體的 Modbus 協(xié)議和 OSI 模型如表 31 OSI 模型。 表 31 OSI 模型 Modbus 采用的是主從模式通信結(jié)構(gòu)，它可以以一個主站對一個或多個從站進行通信?？梢蕴峁?RS232 或者 RS422/485 通信接口，有兩種通信模式： RTU和 ASCII形式。 Modbus 物理層 在新的 Modbus 串行解決方案中是根據(jù) RS485 標準來實現(xiàn)電氣接口的，可以實現(xiàn)兩線制和四線制兩種配置。在本設(shè)計中采用的是兩線配置，支持點對點和多點系統(tǒng)。在實際工程中的傳輸介質(zhì)方面可以采用接線端子、 RJ45 或者 9 芯 D 型連接器。 層 ISO/OSI 模型 7 應(yīng)用層 Modbus 應(yīng)用協(xié)議 6 表示層 空 5 會話層 空 4 傳輸層 空 3 網(wǎng)絡(luò)層 空 2 數(shù)據(jù)鏈路層 Modbus 串行鏈路協(xié)議 1 物理層 EIA/TIA485 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 8 兩線制在總線工作時只能有一個驅(qū)動器有權(quán)發(fā)送信號，所以在抗干擾能力上要比普通串口通信更加可靠。 在實際工業(yè)現(xiàn)場，在總線兩端要有線路終 端（ LT）、上拉電阻和下拉電阻。在電路圖和撰寫文檔是要使用 D0、 D1 和公共端，這樣可以方便實現(xiàn)互操作。兩線制的拓撲結(jié)構(gòu)圖 如圖 拓撲結(jié)構(gòu)圖 所示 。 圖 拓撲結(jié)構(gòu)圖 在實際工程當中，電纜的選擇也是非常重要的，這會影響的實際工程中的通信。在使用 RJ45 時，一般選用 5 類或者超五類屏蔽雙絞線。必須選擇足夠?qū)挼碾娎|直徑， 這樣可以增加傳輸?shù)拈L度，滿足用戶的需要。 協(xié)議報文 Modbus 協(xié)議定義了通信時每一幀數(shù)據(jù)的格式，通用 Modbus 幀如圖 Modbus幀所示。 圖 Modbus 幀 在 Modbus 通信協(xié)議中規(guī)定了傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)中的內(nèi)容，首先是起始位，然后是地址位，其次是功能碼，其次是數(shù)據(jù)位，最后是校驗位和停止位。在默認的情況下應(yīng)默認為偶校驗。 在 Modbus 通信協(xié)議當中，功能碼決定著不同通信功能， Modbus 功能碼有公共功能碼、用戶功能碼和保留功能，這些功能碼可以提供給不同需求的人。 Modbus 功能碼有很多，在這里就不多一一介紹了，這里主要介紹兩個在本設(shè)計 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 9 中用到的功能碼： 03（ 0x03）和 06（ 0x06）。 03（ 0x03）是讀保持寄存器 03（ 0x03）功能是把在現(xiàn)場的智能儀表中的數(shù) 據(jù)從儀表中的寄存器中讀取出來，可以指定其實寄存器地址和寄存器的數(shù)量來讀取。當主機發(fā)送命令時分為請求和相應(yīng)。請求時：其中功能碼 1 字節(jié) 0x03，起始地址 2 字節(jié) 0x0000 到 0xFFFF，寄存器數(shù)量 2 字節(jié) 1~125。響應(yīng)時：功能碼 1 字節(jié) 0x03，字節(jié)數(shù) 1 字節(jié) 2N（寄存器的數(shù)量），寄存器值 N2 字節(jié)。如果在通信時出現(xiàn)錯誤時， 1 字節(jié)差錯碼 0x83 和 1 字節(jié)異常碼 01 或 02 或 03 或 04。 06（ 0x06）是寫單個寄存器 因為本設(shè)計中設(shè)計到對下位機數(shù)據(jù)的寫入，所以在這里介紹一下 06 功能碼。 06功能碼是對現(xiàn)場智能儀表中的寄 存器進行寫入，可以寫入用戶所需要的智能儀表中的寄存器地址。但是在建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中，很少寫入寄存器，只需要讀出儀表中寄存器的數(shù)據(jù)即可。 當主機發(fā)送命令時分為請求和相應(yīng)。請求時：其中功能碼 1 字節(jié) 0x06，其中寄存器地址 2 字節(jié) 0x0000 到 0xFFFF，寄存器數(shù)量 2 字節(jié)0x0000~0xFFFF。響應(yīng)時：功能碼 1 字節(jié) 0x06，寄存器地址 2 字節(jié) 0x0000~0xFFFF，寄存器值 2 字節(jié) 0x0000~0xFFFF。如果在通信時出現(xiàn)錯誤時， 1 字節(jié)差錯碼 0x83 和1 字節(jié)異常碼 01 或 02 或 03 或 04。 兩種串行傳輸 模式 ASCII 模式 ASCII（美國信息交換標準代碼）模式是當通信鏈路和設(shè)備不能夠滿足 RTU 模式是才會使用的一種模式，在實際的工程中很少用到。因為由于 ASCII 的傳輸模式要每個字節(jié)發(fā)送兩個字符，所以在傳輸時效率很低。 ASCII 模式中的每個字 節(jié)的格式為十六進制，也就是 0~ A~F。它有 1 個起始位， 8 個數(shù)據(jù)位， 1 個奇偶校驗位和 1 個停止位。奇偶校驗位中既可以是奇校驗也可以使偶校驗，而且還支持無校驗，這樣就可以支持更多的產(chǎn)品提升了兼容性。早默認的情況下必須是偶校驗。如果是在無校驗位的時候則需要兩個停止位，其中一個停止位是為了填充校驗位字符幀的。 在 Modbus 中規(guī)定再用 ASCII 模式時，幀校驗要用 LRC（縱向冗余）校驗。 RTU 模式 RTU 模式是在現(xiàn)場中經(jīng)常使用到的一種模式 ，在默認的情況下默認設(shè)置必須設(shè)為 RTU模式。 在 Modbus 串行鏈路上使用 RTU 模式通信時的優(yōu)點就是在相同的波特率下要比 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 10 ASCII 模式在數(shù)據(jù)傳輸時有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，有較高的字符密度。 RTU模式中每個字節(jié)的格式為二進制，它有 1 個起始位， 8 個數(shù)據(jù)位， 1 個奇偶校驗位和 1 個停止位。在默認的情況下要設(shè)置為偶校驗，與 ASCII 模式一樣，也支持奇校驗和無校驗，在無校驗位時要添加一個停止位來填 充校驗位字符幀。 在 Modbus 中規(guī)定再用 RTU模式時，幀校驗要用 CRC（循環(huán)冗余）校驗。 在使用 RTU模式時要注意在發(fā)送每一幀數(shù)據(jù)時，幀與幀之間的空閑必須要大于 個字符的時間，這樣才能區(qū)分開報文幀。而且在每個字符發(fā)送的時候，每個字符的間隔要小于 個字符的時間，如果大于 個字符則認為報文幀不完整。 RTU報文幀如圖 RTU報文幀所示。 圖 RTU 報文幀 差錯校驗方法 在 Modbus 協(xié)議對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和安全性來說使用了兩種校驗方法，一部分是利用了奇偶校驗來應(yīng)用于報文幀 中的每一個字符當中的校驗方法。另一部分是利用 LRC 或者 CRC 校驗來應(yīng)用于整個報文的校驗算法。 LRC 校驗 LRC（縱向冗余）校驗是在 ASCII 模式當中的校驗方法， LRC 校驗位 1 個字節(jié)，其中包括 8 位二進制數(shù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，經(jīng)過 LRC 校驗計算把 LRC 校驗碼放入發(fā)送的報文幀當中。接受到數(shù)據(jù)后計算機馬上對收到的數(shù)據(jù)進行 LRC 校驗，得到 LRC校驗值后與發(fā)送來的 LRC 校驗值進行比較，如果相等則無錯誤，如果兩個值不等則產(chǎn)生錯誤。 生成 LRC 校驗值 過程如下： “冒號”和結(jié)束 CRLF，把報文中其他所有字節(jié)相加，將結(jié)果放 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 11 在 8 位字段中。 1 的十六進制中減去最終的字段值，產(chǎn)生 1 的補碼。 1 產(chǎn)生二進制補碼。 這樣得出的值即為 LRC 校驗值，發(fā)送 8 位 LRC 校驗值時，要注意的是先發(fā)送高位再發(fā)送低位。 CRC 校驗 在最常用的 RTU 模式當中校驗方式采用的是 CRC（循環(huán)冗余）校驗， CRC 校驗包括兩字節(jié)， 16 位二進制，校驗過程與 LRC 校驗類似。在發(fā)送時進行 CRC 校驗值得計算，然后把 CRC 校驗值添加到報文幀當中，把一幀完整的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接受數(shù)據(jù) 的時候，設(shè)備從新計算 CRC 校驗值，并且與之前發(fā)來的 CRC 校驗值進行比較，如果不同則出現(xiàn)錯誤，相同則無錯誤。 在 CRC 校驗中，只有數(shù)據(jù)位參加 CRC 的計算。 CRC 校驗值的計算方法是：講一個全 1 的數(shù)放在 16 位寄存器當中，將報文中的第一個 8 位字節(jié)與 16 位寄存器的低字節(jié)異或并保存在 16 位寄存器當中，再將寄存器中的值右移， MSB 填充 0，提取并檢驗 LSB。 LSB 為 0 則再次移位， LSB 為 1 則與 0xA001 異或，直到八次移位。再對報文中的下一個 8 位字節(jié)進行以上的計算直到處理完所有的報文為止，最終得出 CRC 校驗值。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 12 4. 下位機系統(tǒng)設(shè)計 下位機系統(tǒng)硬件設(shè)計 為了能夠建立整個的系統(tǒng)，所以在本設(shè)計中設(shè)計了下位機進行與上位機的通信，本設(shè)計中的下位機主要作用是模擬真實智能儀表的功能。在實際工程中，上位機與下位機的通信其實就是用計算機讀取下位機中的寄存器，每個智能儀表中的數(shù)據(jù)都會存儲在相對的寄存器中，在使用說明書