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解读:工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议

2018-10-09 17:10 技术知识

 

 
       在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域,通常情况下是伺服控制驱动器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干扰,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,现在工业中使用的伺服驱动器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。
 
【RS485通信】
 
        实际上在RS485之前RS232就已经诞生,但是RS232也有不足:
 
        1、接口的信号电平值较高,达到十几V,容易损坏接口电路的芯片,而且和TTL电平不兼容,因此和单片机电路接起来的话必须加转换电路。
 
        2、接口使用的信号线与其他设备形成共地模式的通信,这种共地模式传输容易产生干扰,并且抗干扰性能也比较弱。
 
        3、传输距离、速率都有限,最多只能通信几十米;只能两点之间进行通信,不能够实现多机联网通信。
 
        针对RS232接口以上不足,出现了RS485等新的接口标准,RS485具备以下的特点:
 
       1、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RS232降低了,不易损坏电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。
 
        2、RS485通信速度快,数据最高传输速率为10Mbps以上;其内部的物理结构,采用的是平衡驱动器和查分接收器的组合,抗干扰能力大大增加。
 
        3、传输距离最远可达到1200米左右,但传输速率和传输距离是成反比的,只有在100KB/s以下的传输速率,才能达到最大的通信距离,如果需要传输更远距离可以使用中继。
 
        4、可以在总线上进行联网实现多机通信,总线上允许挂多个收发器,从现有的RS485芯片来看,有可以挂32、64、128、256等不同个设备的数字伺服驱动器。
 
        RS485有两线制和四线制,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用。两线制这种接线方式为总线式拓朴结构,在同一总线上最多可以挂接32个结点。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。
工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议
         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,这有2个原因:
工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议
         共模干扰问题: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。但人们往往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~+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。
 
         EMI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。
 
         由于PC机默认的只带有RS232接口,以下方法可以得到PC上位机的RS485电路:
 
         1、通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号,对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离的产品。
 
         2、通过PCI多串口卡,可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。
 
【Modbus通信协议】
 
        Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。
工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议
        此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
 
Modbus具有以下几个特点:
 
        1、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。
 
        2、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。
 
        3、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。
 
一、Modbus 寄存器种类说明
 
        1— 线圈状态:输出端口,可设定端口的输出状态,也可以读取该位的输出状态
 
        2— 离散输入状态:输入端口,通过外部设定改变输入状态,可读但不可写
 
        3— 保持寄存器:控制器运行时被设定的某些参数,可读可写
 
        4— 输入寄存器:控制器运行时从外部设备获得的某些参数,可读不可写
 
二、Modbus 通讯数据格式
 
单个写入:工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议
 
多个写入:工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议
 
读取:工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议
 
三、Modbus 功能码简述
 
         功能码可以分为位操作和字节操作,位操作的最小单位是Bit,字节操作的最小单位为2个字节(Byte)。
 
         1— 位操作指令:读线圈状态01H、读离散输入状态02H、写单个线圈05H、写多个线圈0FH.
 
         2— 字节操作指令:读保存寄存器03H、读输入寄存器04H、写单个保存寄存器06H、写多个保存寄存器10H。
 
四、Modbus功能码
工业伺服控制中驱动器的RS485通信与Modbus通信协议

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