RS485温湿度传感器与modbus协议

程序员文章站 2022-07-09 13:46:51

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RS485温湿度传感器与modbus协议

一、modbus协议介绍
二、modbus与RS485的关系
三、传感器使用

3.1传感器介绍
3.2 PC机与传感器
3.3 单片机与传感器

四、modbus RTU常用功能码

一、modbus协议介绍

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）和其它设备之间可以通信。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。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它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。
（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。

二、modbus与RS485的关系

首先RS485是硬件层的协议，而Modbus是在这个硬件层之上的软件层协议，是应用层报文传输协议。通俗点来讲，ModBus规约了主从机，主机要分别发送什么命令给从机。ModBus规定主从机之间数据的交互，需要遵循什么样的格式，如何保证数据在传输过程中不发生冲突。只要都遵循这个协议，那么不同厂家的主从机就可以共用了。Modbus协议包括RTU、ASCII、TCP。其中MODBUS-RTU最常用，比较简单。
ModBus一般是工作在一主多从的场景，示意图如下：
RS485温湿度传感器与modbus协议

三、传感器使用

3.1传感器介绍

此处的传感器，我选择了威海晶合公司的485空气温湿度传感器，因为是485通信，所以需要一个TTL转485的转换器，经过这个转换器，才能在传感器和单片机之间建立连接，另外此传感器也可以直接与PC机进行通信，所以此处还需要一个USB转485转换器。该传感器连接示意图如下：
RS485温湿度传感器与modbus协议
与PC机相连如下：

与单片机相连如下：

经过查阅该传感器使用手册，该传感器通讯协议数据位为8位，无奇偶校验位，停止位1位，错误校验CRC(16)，波特率9600。采用 Modbus-RTU 通讯规约，格式如下：初始结构>=4 字节的时间；地址码= 1 字节；功能码= 1 字节；数据区= N 字节；错误校验= 16 位 CRC 码；结束结构>=4 字节的时间；

地址码：为变送器的地址，在通讯网络中是唯一的（出厂默认 0x01）。
功能码：主机所发指令功能提示，本变送器只用到功能码 0x03（读取存器数据）。
数据区：数据区是具体通讯数区，注意 16bits 数据高字节在前
CRC 码：二字节的校验码。

向该设备发送问询帧的格式如下图：
RS485温湿度传感器与modbus协议
例如查询该设备的地址：
FF 03 00 0F 00 00 60 17
传感器返回的数据应答帧的格式如下图：

3.2 PC机与传感器

首先，先按照规定接线方式，进行安装连接，连接好后，打开CommMontor串口监控精灵，如下图：

RS485温湿度传感器与modbus协议
点击左侧窗口中的打开串口，就可以在此处与传感器进行通信了。
注意：对传输的参数设置，如下图。

依据数据帧的格式，向传感器发送查询温湿度的命令

传感器返回一段应答帧，依据应答帧的格式，则此处的第4、第5位为温度数据，第6、第7位为湿度数据，因为是16进制，所以将其转换为10进制后，即为国际单位下的温湿度值，例如此处返回的温度值为01 3B，湿度值为 02 25。
RS485温湿度传感器与modbus协议
经过进制转换，得到此时温度值为31.5度。
类似的把02 25经过进制转换，得到此时湿度值54.9％RH。

3.3 单片机与传感器

按照安装要求，传感器与TTL转485转换器相连，然后该转换器连接dan单片机的串口。
注：该传感器需要单独的电源适配器进行供电。

单片机做主机，传感器做从机，主机程序首先定义modbus控制器

m_protocol_dev_typedef m_ctrl_dev;	//定义modbus控制器

在主机程序中使用的主要函数如下

首先是数据帧解析函数：

//解析一帧数据，解析结果存在fx指针里边
//fx是帧指针
//返回值：解析结果，0，OK，其他，错误代码。
m_result mb_unpack_frame(m_frame_typedef *fx)
{
 	u16 rxchkval=0;   	 		//接受到的校验值 
	u16 calchkval=0;			//计算得到的校验值
 	u8 datalen=0; 				//有效数据长度
	fx->datalen=0; 				//数据长度清0
	if(m_ctrl_dev.rxlen>M_MAX_FRAME_LENGTH||m_ctrl_dev.rxlen<M_MIN_FRAME_LENGTH)
	{
		m_ctrl_dev.rxlen=0;			//清除rxlen
		m_ctrl_dev.frameok=0;		//清除framok标记，以便下次可以正常接受，
		return MR_FRAME_FORMAT_ERR;//帧格式错误
	}
	datalen=m_ctrl_dev.rxbuf[3];
	switch(m_ctrl_dev.checkmode)
	{
		case M_FRAME_CHECK_SUM:							//校验和
			calchkval=mc_check_sum(m_ctrl_dev.rxbuf,datalen+4);
			rxchkval=m_ctrl_dev.rxbuf[datalen+4];
			break;
		case M_FRAME_CHECK_XOR:							//异或校验
			calchkval=mc_check_xor(m_ctrl_dev.rxbuf,datalen+4);
			rxchkval=m_ctrl_dev.rxbuf[datalen+4];
			break;
		case M_FRAME_CHECK_CRC8:						//CEC8校验
			calchkval=mc_check_crc8(m_ctrl_dev.rxbuf,datalen+4);
			rxchkval=m_ctrl_dev.rxbuf[datalen+4];
			break;
		case M_FRAME_CHECK_CRC16:						//CRC16校验
			calchkval=mc_check_crc16(m_ctrl_dev.rxbuf,datalen+4);
			rxchkval=((u16)m_ctrl_dev.rxbuf[datalen+4]<<8)+m_ctrl_dev.rxbuf[datalen+5];
			break;
	} 	
	m_ctrl_dev.rxlen=0;			//清除rxlen
	m_ctrl_dev.frameok=0;		//清除framok标记，以便下次可以正常接受，
	if(calchkval==rxchkval)		//校验正常
	{
		fx->address=m_ctrl_dev.rxbuf[0];
		fx->function=m_ctrl_dev.rxbuf[1];
		fx->count=m_ctrl_dev.rxbuf[2];
		fx->datalen=m_ctrl_dev.rxbuf[3];
		if(fx->datalen)
		{
			fx->data=mymalloc(SRAMIN,fx->datalen);		//申请内存
			for(datalen=0;datalen<fx->datalen;datalen++)
			{
				fx->data[datalen]=m_ctrl_dev.rxbuf[4+datalen];		//拷贝数据
			}
		}
		fx->chkval=rxchkval;	//记录校验值	
	}else return MR_FRAME_CHECK_ERR;
	return MR_OK;	
}

然后是打包数据帧函数

//fx指向需要打包的帧¡  
void mb_packsend_frame(m_frame_typedef *fx)
{  
	u16 i;
	u16 calchkval=0;			//计算得到的校验值
	u16 framelen=0;				//打包后的帧长度
	u8 *sendbuf;				//发送缓冲区
	
	if(m_ctrl_dev.checkmode==M_FRAME_CHECK_CRC16)framelen=6+fx->datalen;
	else framelen=5+fx->datalen;
	sendbuf=mymalloc(SRAMIN,framelen);	//申请内存
	sendbuf[0]=fx->address;
	sendbuf[1]=fx->function;
	sendbuf[2]=fx->count;
	sendbuf[3]=fx->datalen; 
	for(i=0;i<fx->datalen;i++)
	{
		sendbuf[4+i]=fx->data[i];
	}	
	switch(m_ctrl_dev.checkmode)
	{
		case M_FRAME_CHECK_SUM:							//校验和
			calchkval=mc_check_sum(sendbuf,fx->datalen+4); 
			break;
		case M_FRAME_CHECK_XOR:							//异或校验
			calchkval=mc_check_xor(sendbuf,fx->datalen+4); 
			break;
		case M_FRAME_CHECK_CRC8:						//CRC8校验
			calchkval=mc_check_crc8(sendbuf,fx->datalen+4); 
			break;
		case M_FRAME_CHECK_CRC16:						//CRC16校验
			calchkval=mc_check_crc16(sendbuf,fx->datalen+4); 
			break;
	} 
	
	if(m_ctrl_dev.checkmode==M_FRAME_CHECK_CRC16)		//如果是CRC16,则有2个字节的CRC¸
	{
		sendbuf[4+fx->datalen]=(calchkval>>8)&0XFF; 	//高字节在前
		sendbuf[5+fx->datalen]=calchkval&0XFF;			//低字节在后
	}else sendbuf[4+fx->datalen]=calchkval&0XFF;
	mp_send_data(sendbuf,framelen);	//发送这一帧数据
	myfree(SRAMIN,sendbuf);			//释放内存
}

然后是modbus初始化函数

m_result mb_init(u8 checkmode)
{
	m_ctrl_dev.rxbuf=mymalloc(SRAMIN,M_MAX_FRAME_LENGTH);	//申请最大的帧接受缓存
	m_ctrl_dev.rxlen=0;
	m_ctrl_dev.frameok=0;
	m_ctrl_dev.checkmode=checkmode;
	if(m_ctrl_dev.rxbuf)return MR_OK; //根据返回值判断初始化成功
	else return MR_MEMORY_ERR;//初始化不成功
}

然后是modbus结束函数

void mb_destroy(void)
{
	myfree(SRAMIN,m_ctrl_dev.rxbuf);	//申请最大的帧接受缓存
	m_ctrl_dev.rxlen=0;
	m_ctrl_dev.frameok=0; 
}

串口中断服务函数

void USART1_IRQHandler(void)
{
	u8 res;	
	if(USART1->SR&(1<<5))			//接受到数据
	{	 
		res=USART1->DR; 
		if(m_ctrl_dev.frameok==0)	//接收未完成
		{ 
			m_ctrl_dev.rxbuf[m_ctrl_dev.rxlen]=res;
			m_ctrl_dev.rxlen++;
			if(m_ctrl_dev.rxlen>(M_MAX_FRAME_LENGTH-1))m_ctrl_dev.rxlen=0;//接收数据错误，重新开始接受
  		}  		 									     
	}else if(USART1->SR&(1<<4))		//空闲中断
	{
		res=USART1->DR; 			//
		m_ctrl_dev.frameok=1;		//标记完成一帧数据接收
	}
}

然后是对串口进行初始化函数

void mp_init(u32 pclk2,u32 bound)
{  	  
	RCC->APB2ENR|=1<<2;   //使能PORTA口时钟
	RCC->APB2ENR|=1<<14;  //使能串口时钟
	GPIOA->CRH&=0XFFFFF00F;//IO口状态设置
	GPIOA->CRH|=0X000008B0;//IO口状态设置
	RCC->APB2RSTR|=1<<14;   //复位串口1
	RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//，停止复位 	   
 	USART1->BRR=(pclk2*1000000)/bound;//设置波特率
	USART1->CR1|=0X200C;  //1位停止位，无校验位
	USART1->CR1|=1<<4;	  //开启串口总线空闲中断
	USART1->CR1|=1<<5;    // 接收缓冲区非空中断使能	
	MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQn,2);//最低优先级组2

然后是发送指定数据长度函数

void mp_send_data(u8* buf, u16 len)		
{
	u16 i=0;
	for(i=0;i<len;i++)
	{
		while((USART1->SR&0X40)==0);	//等待上一次串口数据发送完成
		USART1->DR=buf[i];      		//串口1将发送数据
	}	
}

使用CRC16校验函数

u16 mc_check_crc16(u8 *buf,u16 len)//buf是待检验缓冲区首地址，len是检验长度
{
	u8 index;
	u16 check16=0;
	u8 crc_low=0XFF;
	u8 crc_high=0XFF;
	while(len--)
	{
		index=crc_high^(*buf++);
		crc_high=crc_low^CRC16HiTable[index];
		crc_low=CRC16LoTable[index];
	}
	check16 +=crc_high;
	check16 <<=8;
	check16+=crc_low;
	return check16; //返回CRC16校验值，高字节在前，低字节在后
}

CRC16位校验，又称循环校验码，是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为‘0’和‘1’取值的多项式一一对应。例如：代码1010111对应的多项式为x^6+ x^4+ x^2+x+1，而多项式为x^5+ x^3+ x^2+ x+1对应的代码101111。在modbus通信时，发送方发送出信息数据和校验码，接收方则使用相同的计算方法计算出信息字段的校验码，对比接收到的实际校验码，如果相等及信息正确，不相等则信息错误；或者将接受到的所有信息除多项式，如果能够除尽，则信息正确。常用查表法和计算法。计算方法一般都是：

（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（既通讯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，高八位数据不变；

（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，进行通讯信息帧下一个字节的处理；

（7）将该通讯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。

CRC16高字节位校验表

const u8 CRC16HiTable[]=
{ 
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
	0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
	0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
	0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
	0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
	0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
	0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
	0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1,
	0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
	0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
	0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40   
};

CRC16低字节位校验表

const u8 CRC16LoTable[]=
{
	0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06,
	0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD,
	0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09,
	0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A,
	0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4,
	0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,
	0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3,
	0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4,
	0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A,
	0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29,
	0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED,
	0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,
	0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60,
	0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67,
	0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F,
	0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68,
	0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E,
	0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,
	0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71,
	0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92,
	0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C,
	0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B,
	0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B,
	0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,
	0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42,
	0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80, 0x40     
};

modbus发送一帧数据函数

void modbus_send_frame(m_frame_typedef * fx)//fx是帧指针
{
    static u8 fcnt=0;
    u8 i;
    u8 res;
    m_frame_typedef rxframe;
    fx->address=0X01;
    fx->function=0X03;
    fx->count=fcnt;
    fx->datalen=5;
    fx->data=mymalloc(SRAMIN,5);
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        fx->data[i]=fcnt+i;
    }
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        mb_packsend_frame(fx);
        delay_ms(50); 					//发送间隔
        if(m_ctrl_dev.frameok)          //解析应答数据
        {
            m_ctrl_dev.frameok=0;
            res=mb_unpack_frame(&rxframe);
			if(res==MR_OK)	            //解析成功
			{
                myfree(SRAMIN,rxframe.data);
				if(rxframe.count==fcnt)
                { 
                    fcnt++;
                    break;//判断响应正常
                }
			}   
        }
    } 

}

四、modbus RTU常用功能码

常用功能码有10个，如下图，其中每个功能前边的数字即为实现该功能的功能码。
RS485温湿度传感器与modbus协议

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