光照度传感器之RS485 通信与 Modbus 协议

早先学51时，宋老师的书上就有Modbus这方面的知识，可是当时实验环境不足也没去深究，现在做项目用到了RS485这类传感器和Modbus协议，特地来记录下。

一、传感器介绍

使用的传感器是一款光照度传感器，如下图所示。

该传感器一共有五根线，颜色与功能有下表所示对应关系。

注意，485的A和B千万不要接反了！

设备默认地址为0x01

该传感器的只能通过0x03指令读取光照度信息，光照度数据一共32位，高16位在地址为0x07的寄存器中，低16位在地址为0x08的寄存器中。

二、RS485介绍

1、RS485特点

• 数据信号采用差分传输方式，可以有效的解决共模干扰问题
  • 逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V 表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V 来表示，是一种典型的差分通信
• 最大距离可达 1200 米
• 最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上
  • 它的传输速率和传输距离是成反比的，只有在 100Kb/s 以下的传输速度，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。
• 允许多个收发设备接到同一条总线上
  • 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 等不同个设备的驱动器
• RS485 的接口非常简单， 与 RS232 所使用的 MAX232 是类似的，只需要一个 RS485转换器，就可以直接与单片机的 UART 串口连接起来，并且使用完全相同的异步串行通信协议。
  • 但是由于 RS485 是差分通信，因此接收数据和发送数据是不能同时进行的，也就是说它是一种半双工通信。(所以后面有了控制输入和输出方向的dir位！)

2、RS485典型硬件电路

其中，485-RX和485-TX可直接与单片机的串口相连。485-DIR接至普通输出IO口即可，用来控制通信方向：默认一直低电平（处于接收状态），当发送时将其拉高，发送完毕再拉低！

三、Modbus通信协议介绍

1、Modbus介绍

UART、 I2C、 SPI 这些通信协议，都是最底层的协议，是“位”级别的协议。Modbus这种通信协议是字节级别的，叫做应用层通信协议。该协议描述了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，以及怎样侦测错误记录，它制定了通信数据的格局和内容的公共格式。

在进行多机通信的时候， Modbus 协议规定每个控制器必须要知道它们的设备地址，识别按照地址发送过来的数据，决定是否要产生动作，产生何种动作，如果要回应，控制器将生成的反馈信息用 Modbus 协议发出。

2、RTU 协议帧数据

Modbus 有两种通信传输方式，一种是 ASCII 模式，一种是 RTU 模式。在实际场合中使用的比较多的当数RTU协议帧模式了。一帧RTU格式如下图所示：

Modbus 的 RTU模式规定不同数据帧之间的间隔是 3.5个字节通信时间以上（通常设置为5ms）。

设备地址：每个设备都有一个自己的地址，当设备接收到一帧数据后，程序首先对设备地址字节进行判断比较，如果与自己的地址不同，则对这帧数据直接不予理会，如果与自己的地址相同，就要对这帧数据进行解析。

如果地址是 0x00，则认为是一个广播命令，就是所有的从机设备都要执行的指令。

功能代码：在第二个字节功能代码字节中， Modbus 规定了部分功能代码。我们常用的是0x03:读取一个或连续的寄存器以及0x06:写入单个寄存器。该项目中使用的光照度传感器，我们主要是在程序中读取该传感器的数据，因此本文着重介绍0x03功能码。

数据：跟在功能代码后边的是 n 个 8bit 的数据。这个 n 值的到底是多少，是功能代码来确定的，不同的功能代码后边跟的数据数量不同。当主机向从机（传感器）发送读取数据的请求命令时，主机发送的数据 n 的组成部分就是： 2 个字节的寄存器起始地址，加 2 个字节的寄存器数量 N。如下图所示：

当从机接收到主机的请求命令，回应主机发送的命令时，从机数据 n 的组成部分是： 1 个字节的字节数，因为我们回复的寄存器的值是 2 个字节，所以这个字节数也就是 2N 个，再加上 2N 个寄存器的值。如下图所示：

可能这里还会有点绕，不过没关系。到后面结合我们实际的传感器数据，再来看这些规定也许就会一切明朗了。对了，需要提到的一个事情是：在 Modbus 协议里寄存器的地址和数值都是 16 位的（两个字节）。

CRC校验：CRC 校验函数把一帧数据除最后两个字节外，前边所有的字节进行特定的算法计算，计算完后生成了一个 16bit的数据，作为 CRC 校验码，添加在一帧数据的最后。接收方接收到数据后，同样会把前边的字节进行 CRC 计算，计算完了再和发过来的 16bit 的 CRC 数据进行比较，如果相同则认为数据正常，没有出错，如果比较不相同，则说明数据在传输中发生了错误，这帧数据将被丢弃，就像没收到一样，而发送方会在得不到回应后做相应的处理错误处理。

关于具体的CRC校验算法，如果实在看不懂，也可不必深究，先会用！

四、传感器通信实例

下面将使用两个Modbus调试上位机，演示实际的Modbs通信过程。两款上位机均可从<这里>获取。提取码：fkc9

1、通用的Modbus调试精灵

界面如下图所示：

通过RS485转串口设备，将传感器接到电脑选择对应的COM口，其他设置如上图所示，然后点击打开串口。在读寄存器区写入寄存器地址为：7，数量为2。（即读取0x07和0x08两个寄存器的内容）在发送窗口写入01 03 00 07 00 02 75 CA，点击读出，便会接收到01 03 04 00 00 00 00 5F BA 0B

下面将分别详细解释发送和接收的每个字节含义。

发送

接收

所以我们读取到的光照强度位：0x42，即95Lux

这里再次体会前面的协议规定中的主机发送请求，从机发送回应。还有前面提到的在 Modbus 协议里寄存器的地址和数值都是 16 位的（两个字节）。

2、专用的光照强度Modbus调试上位机

这个当然就是和这个传感器配套的上位机咯~

但是协议和上面介绍的通用一毛一样，可以比对学习。

emmmm，整个协议的分析和数据的读取到这里基本告一段落。

最后

以上就是执着红牛为你收集整理的光照度传感器之RS485 通信与 Modbus 协议的全部内容，希望文章能够帮你解决光照度传感器之RS485 通信与 Modbus 协议所遇到的程序开发问题。

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