In Bereichen wie der industriellen Steuerung, der Energiekommunikation und intelligenten Instrumenten wird in der Regel die serielle Kommunikation für den Datenaustausch verwendet. Die ursprünglich verwendete Methode war die RS232-Schnittstelle. Aufgrund der Komplexität des Industriegeländes erzeugen die verschiedenen elektrischen Geräte in der Umgebung viele elektromagnetische Störungen, die zu Signalübertragungsfehlern führen.
1979 entwickelte Schneider Electric ein Busprotokoll, das Modbus-Protokoll, für den industriellen Bereich. Heutzutage wird in vielen RS485-Kommunikationssituationen in der Industrie das Modbus-Protokoll verwendet, so dass wir uns heute mit der RS485-Kommunikation und dem Modbus-Kommunikationsprotokoll beschäftigen werden.
1. Einführung in RS485
In der industriellen Steuerungstechnik ist der RS485-Bus wegen seiner einfachen Schnittstelle, der bequemen Vernetzung und der langen Übertragungsstrecke weit verbreitet.
RS485 und RS232 sind beides Kommunikationsschnittstellen, die auf seriellen Schnittstellen basieren. Die Vorgänge des Sendens und Empfangens von Daten sind die gleichen, so dass sie den gleichen zugrunde liegenden Treiber von WinCE verwenden. Ihre Kommunikationsmodi sind jedoch in praktischen Anwendungen sehr unterschiedlich. Die RS485-Schnittstelle ist ein Halbduplex-Datenkommunikationsmodus, während die RS232-Schnittstelle ein Vollduplex-Datenkommunikationsmodus ist. Das Senden und Empfangen von Daten kann nicht gleichzeitig durchgeführt werden. Um sicherzustellen, dass es keinen Konflikt beim Senden und Empfangen von Daten gibt. Um sicherzustellen, dass es keine Konflikte beim Senden und Empfangen von Daten gibt, wird die Hardware durch Richtungsumschaltung implementiert, und dementsprechend verlangt auch die Software, dass die Sende- und Empfangsprozesse strikt getrennt werden müssen.
Das Halbduplex-Netzwerk, das aus der RS485-Schnittstelle besteht, ist in der Regel ein Zweidrahtsystem (früher gab es eine Vierdraht-Verbindungsmethode, mit der nur eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation möglich war, die aber heute kaum noch verwendet wird) und verwendet meist eine abgeschirmte Twisted-Pair-Übertragung. Bei dieser Verdrahtungsmethode handelt es sich um eine Bustopologie, und es können bis zu 32 Knoten an denselben Bus angeschlossen werden. Im RS485-Kommunikationsnetz wird im Allgemeinen die Master-Slave-Kommunikationsmethode verwendet, d. h. ein Host hat mehrere Slaves.
Merkmale von RS485:
1. elektrische Eigenschaften von RS485: Die logische “0” wird durch eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen von (2-6) V dargestellt; die logische “1” wird durch eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen von - (2-6) V dargestellt. Der Pegel des Schnittstellensignals ist niedriger als der von RS232, wodurch es weniger wahrscheinlich ist, den Chip der Schnittstellenschaltung zu beschädigen. Außerdem ist der Pegel mit dem TTL-Pegel kompatibel und kann leicht an die TTL-Schaltung angeschlossen werden.
2. Die maximale Datenübertragungsrate von RS485 beträgt 10Mbps.
3. Die RS485-Schnittstelle verwendet eine Kombination aus einem symmetrischen Treiber und einem Differenzialempfänger, der über eine verbesserte Anti-Kommunikationsstörung verfügt, d. h. eine gute Rauschunterdrückung bietet.
4. Die standardmäßige maximale Übertragungsdistanz der RS485-Schnittstelle beträgt 4000 Fuß (ca. 1219 Meter), die tatsächlich bis zu 3000 Fuß betragen kann. Außerdem kann über die RS232-Schnittstelle nur ein Sende-/Empfangsgerät an den Bus angeschlossen werden, d. h. es ist nur eine einzige Station möglich. Die RS485-Schnittstelle ermöglicht den Anschluss von bis zu 128 Transceivern an den Bus. Das heißt, sie ist mehrplatzfähig, so dass die Benutzer mit einer einzigen RS485-Schnittstelle problemlos ein Gerätenetzwerk aufbauen können.
2. Einführung in MODBUS
Modbus wurde 1979 von Modicon (heute eine Marke von Schneider Electric) erfunden und ist das weltweit erste Busprotokoll, das wirklich in industriellen Bereichen eingesetzt wird.
Das ModBus-Netz ist ein industrielles Kommunikationssystem, das aus einer programmierbaren Steuerung mit einem intelligenten Terminal und einem Computer besteht, die über öffentliche Leitungen oder lokale Standleitungen verbunden sind. Seine Systemstruktur umfasst sowohl Hardware als auch Software. Es kann für verschiedene Anwendungen zur Datenerfassung und Prozessüberwachung eingesetzt werden.
ModBus-Merkmale:
1. standardisiert und offen ist, können die Benutzer das Modbus-Protokoll kostenlos und vertrauensvoll nutzen, ohne Lizenzgebühren zu zahlen und ohne die Rechte am geistigen Eigentum zu verletzen. Derzeit gibt es mehr als 400 Hersteller, die Modbus unterstützen, und mehr als 600 Produkte, die Modbus unterstützen.
2. Modbus unterstützt eine Vielzahl von elektrischen Schnittstellen wie RS-232, RS-485 usw. und kann auch über verschiedene Medien wie Twisted Pair, Glasfaser, Funk usw. übertragen.
3. Das Rahmenformat von Modbus ist einfach, kompakt und leicht zu verstehen. Es ist für Benutzer einfach zu verwenden und für Hersteller einfach zu entwickeln.
MODBUS-Kommunikationsübertragungsmethode:
Die Kommunikationsübertragung ist in unabhängige Informationsköpfe und kodierte Daten unterteilt. Die folgenden Definitionen der Kommunikationsübertragungsmethoden sind auch mit dem MODBUS RTU Kommunikationsprotokoll kompatibel:
Ausgangsstruktur = ≥ 4 Bytes Zeit
Adresscode = 1 Byte
Funktionscode = 1 Byte
Datenbereich = N Bytes
Fehlerprüfung = 16-Bit-CRC-Code
Endstruktur = ≥ 4 Bytes Zeit
Adresscode: Der Adresscode ist das erste Byte, das bei der Kommunikation übertragen wird. Dieses Byte zeigt an, dass der Slave mit dem vom Benutzer eingestellten Adresscode die vom Master gesendeten Informationen erhalten wird. Jeder Slave hat einen eindeutigen Adresscode, und die Antwortrückmeldung beginnt mit seinem eigenen Adresscode. Der vom Master gesendete Adresscode gibt die Slave-Adresse an, an die gesendet werden soll, und der vom Slave gesendete Adresscode gibt die zurückgesendete Slave-Adresse an.
Funktionscode: das zweite Byte, das bei der Kommunikation übertragen wird. Das ModBus-Kommunikationsprotokoll definiert Funktionsnummern von 1 bis 127. Dieses Gerät verwendet nur einen Teil der Funktionscodes. Bei einer Host-Anfrage wird der Funktionscode verwendet, um dem Slave mitzuteilen, welche Aktion er durchführen soll. Als Slave-Antwort ist der vom Slave gesendete Funktionscode derselbe wie der vom Master gesendete Funktionscode und zeigt an, dass der Slave dem Master für den Betrieb geantwortet hat. Wenn das höchste Bit des vom Slave gesendeten Funktionscodes 1 ist (z. B. wenn der Funktionscode größer als 127 ist), bedeutet dies, dass der Slave nicht auf den Vorgang reagiert oder dass ein Sendefehler vorliegt.
Datenbereich: Der Datenbereich ist je nach den verschiedenen Funktionscodes unterschiedlich. Der Datenbereich kann ein Istwert, ein Sollwert oder eine Adresse sein, die vom Master an den Slave oder vom Slave an den Master gesendet wird.
CRC-Code: ein Zwei-Byte-Fehlererkennungscode.
3. Der Unterschied zwischen RS485 und MODBUS
RS485 ist eine physikalische Schnittstelle, einfach gesagt, es ist Hardware.
MODBUS ist ein internationales Standard-Kommunikationsprotokoll, das für den Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller (im Allgemeinen für industrielle Zwecke) verwendet wird; das sogenannte Protokoll kann auch als die oben erwähnte “Sprache” oder einfach als Software verstanden werden.
Im Allgemeinen übertragen zwei Geräte Daten über das MODBUS-Protokoll:
Als Hardwareschnittstelle (d. h. die serielle Kommunikationsschnittstelle (serielle Schnittstelle) eines gewöhnlichen Computers) wurde zunächst die RS232C verwendet; daneben gibt es die RS422 und die weit verbreitete RS485. Diese Schnittstelle hat eine große Übertragungsreichweite und wird häufig in allgemeinen Industrieanlagen verwendet.
Das MODBUS-Protokoll ist in drei Modi unterteilt: MODBUS RTU, MODBUS ASCII und das später entwickelte MODBUS TCP: Die physischen Hardware-Schnittstellen, die von den ersten beiden (MODBUS RTU, MODBUS ASCII) verwendet werden, sind serielle Kommunikationsschnittstellen (RS232, RS422, RS485).
MODBUS TCP wurde entwickelt, um dem Entwicklungstrend der heutigen Welt zu entsprechen. Alles kann über Ethernet oder das Internet verbunden werden, um Daten zu übertragen. Im MODBUS-TCP-Modus ist die Hardwareschnittstelle dieses Modus also der Ethernet-Port, der üblicherweise auf unseren Computern verwendete Netzwerkport.