Последовательная связь по протоколу Modbus RS-485 с Arduino (ведомой)

Протокол Modbus – самый распространенный промышленный протокол для межмашинного (M2M) взаимодействия. Является стандартом де-факто и поддерживается почти всеми производителями промышленного оборудования. В этой статье мы рассмотрим последовательную связь по протоколу Modbus RS-485 используя плату Arduino Uno в качестве ведомого устройства (Slave).

Внешний вид проекта последовательной связи по протоколу Modbus RS-485 с ведомой Arduino

Также на нашем сайте вы можете посмотреть проект последовательной связь по протоколу Modbus RS-485 с Arduino (ведущей).

Что такое Modbus

Modbus - протокол, работающий по принципу «клиент-сервер». Широко применяется в промышленности для межмашинного взаимодействия и не только. Протокол Modbus был разработан в 1979 году. Modbus может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также через сети TCP/IP. В данной статье мы рассмотрим его использование на примере линии RS-485. Достаточно подробно протокол Modbus описан в соответствующей статье Википедии.

Modbus RS-485 использует линию последовательной связи RS-485 для передачи данных. Modbus является программным (не аппаратным) протоколом и состоит из двух частей: Modbus Master (ведущий) и Modbus Slave (ведомый). В сети Modbus RS-485 может быть один ведущий и 127 ведомых устройств, каждое из которых имеет уникальный адрес от 1 до 127.

Modbus чаще всего используется в программируемых логических контроллерах (PLCs - Programmable Logic Controllers). Но также он широко применяется в медицине, транспорте, проектах автоматизации дома и т.п. Modbus имеет 255 функциональных кодов. Наиболее распространены 3 версии данного протокола:

  • MODBUS RTU;
  • MODBUS ASCII;
  • MODBUS/TCP.

Какая разница между протоколами Modbus ASCII и Modbus RTU? По сути, это практически одинаковые протоколы. Только в протоколе Modbus RTU данные передаются последовательно в двоичном коде, а в Modbus ASCII – в ASCII кодах. В этом проекте мы будем использовать Modbus RTU.

В данной статье мы будем использовать последовательную связь по протоколу Modbus RS-485 используя плату Arduino Uno в качестве ведомого устройства (Slave). Мы установим программное обеспечение Simply Modbus Master Software на компьютер и будем управлять двумя светодиодами и сервомотором, подключенными к ведомой плате Arduino. Управлять ими мы будем при помощи передачи специальных значений от Master Modbus Software.

Перед изучением данного проекта вам желательно прочитать статью о последовательной связи с помощью RS-485 между платами Arduino Uno и Arduino Nano. Также мы рассматривали и связь с помощью RS-485 между платами Arduino Uno и Raspberry Pi.

Принципы работы интерфейса последовательной связи RS-485

RS-485 представляет собой асинхронный интерфейс последовательной связи, не требующий для своей работы импульсов синхронизации. Для передачи двоичных данных от одного устройства к другому интерфейс использует дифференциальный сигнал.

Если следовать определению из википедии, дифференциальный сигнал представляет собой способ электрической передачи информации с помощью двух противофазных сигналов. В данном методе один электрический сигнал передаётся в виде дифференциальной пары сигналов, каждый по своему проводнику, но один представляет инвертированный сигнал другого, противоположный по знаку. Пара проводников может представлять собой витую пару, твинаксиальный кабель или разводиться по печатной плате. Приёмник дифференциального сигнала реагирует на разницу между двумя сигналами, а не на различие между одним проводом и потенциалом земли.

В нашем случае дифференциальный сигнал образуется при помощи использования положительного и отрицательного напряжения 5V. Интерфейс RS-485 обеспечивает полудуплексную связь (Half-Duplex) при использовании 2-х линий (проводов) и полноценную дуплексную связь (Full-Duplex) при использовании 4-х линий (проводов).

Основные особенности данного интерфейса:

  1. Максимальная скорость передачи данных в интерфейсе RS-485 – 30 Мбит/с.
  2. Максимальная дистанция связи – 1200 метров, что значительно больше чем в интерфейсе RS-232.
  3. Основным достоинством интерфейса RS-485 по сравнению с RS-232 является использование нескольких ведомых (multiple slave) при одном ведущем (single master) в то время как RS-232 поддерживает только одного ведомого.
  4. Максимальное число устройств, которое можно подключить по интерфейсу RS-485 – 32.
  5. Также к достоинствам интерфейса RS-485 относится хорошая помехоустойчивость вследствие использования дифференциального сигнала.
  6. RS-485 обеспечивает более высокую скорость передачи по сравнению с интерфейсом I2C.

Использование интерфейса RS-485 в Arduino

Для использования интерфейса RS-485 в плате Arduino мы будем использовать модуль 5V MAX485 TTL to RS485, в основе которого лежит микросхема Maxim MAX485. Модуль является двунаправленным и обеспечивает последовательную связь на расстояние до 1200 метров. В полудуплексном режиме он обеспечивает скорость передачи данных 2,5 Мбит/с.

Модуль 5V MAX485 TTL to RS485 использует питающее напряжение 5V и логический уровень напряжения также 5V, что позволяет без проблем подключать его к платам Arduino.

Данный модуль имеет следующие особенности:

  • работает с напряжениями 5V;
  • имеет в своем составе чип MAX485;
  • отличается низким энергопотреблением;
  • всеми его контактами можно управлять с помощью микроконтроллера;
  • размеры платы модуля: 44 x 14mm.

Внешний вид модуля RS-485 показан на следующем рисунке.

Внешний вид модуля RS-485

Назначение контактов (распиновка) модуля RS-485 приведена в следующей таблице.

Название контакта Назначение контакта
VCC 5V
A вход/выход линии RS-485
B вход/выход линии RS-485
GND GND (0V)
R0 выход приемника (RX pin)
RE разрешение работы приемника
DE разрешение работы передатчика
DI вход передатчика (TX pin)

Как видите, контакты на модуле RS-485 расположены очень логично - с одной стороны к модулю подключается устройство, а с другой - линия.

Модуль преобразования USB в RS-485

Внешний вид модуля преобразования USB в RS-485

На представленном рисунке показан внешний вид адаптера (модуля преобразования) USB в RS-485. Он способен работать в различных операционных системах и обеспечивает интерфейс RS-485 при помощи использования одного из COM портов компьютера. Этот модуль является устройством plug-and-play. Все, что передается через виртуальный COM порт, автоматически преобразуется данным модулем в RS-485, и наоборот. Модуль питается от порта USB – никакого дополнительного питания не требуется.

В компьютере он виден как последовательный/ COM порт и доступен для использования различными приложениями. Модуль обеспечивает полудуплексную связь с помощью интерфейса RS-485. Скорость передачи – от 75 до 115200 бод/с, максимальная – до 6 Мбит/с.

В сети интернет можно найти достаточно много программного обеспечения, способного работать с данным адаптером. Мы в этом проекте будем использовать программу Simply Modbus Master.

Программное обеспечение Modbus Master

Программу Modbus Master Software мы будем использовать для передачи данных ведомой плате Arduino с помощью интерфейса RS-485.

Вы можете скачать программу Simply Modbus Master по следующей ссылке. Документацию по этой программе (на английском языке) можно прочитать здесь.

Перед использованием данной программы необходимо ознакомиться со следующими терминами, используемыми в ней.

Slave ID (идентификатор ведомого)

Каждому ведомому устройству в сети назначается уникальный адрес в диапазоне от 1 до 127. Когда ведущее устройство запрашивает данные, то первый байт, который он передает, содержит адрес ведомого устройства. Благодаря этому каждое ведомое устройство знает стоит ли ему отвечать на этот запрос или нет.

Function code (функциональный код)

Второй байт, передаваемый ведущим, содержит функциональный код. Этот код определяет действие, которое необходимо выполнить (считать, записать и т.д.). Действия сгруппированы по таблицам. В протоколе Modbus существует четыре таблицы с данными:

Таблица Тип элемента Тип доступа
Дискретные входы (Discrete Inputs) один бит только чтение
Регистры флагов (Coils) один бит чтение и запись
Регистры ввода (Input Registers) 16-битное слово только чтение
Регистры хранения (Holding Registers) 16-битное слово чтение и запись

В реальной практике чаще всего встречаются устройства, в которых есть только таблица Holding Registers, иногда объединённая с таблицей Input Registers.

Для доступа к этим таблицам существует ряд стандартный функций ModBus:

Чтение:

  • 1 (0x01) — чтение значений из нескольких регистров флагов (Read Coil Status).
  • 2 (0x02) — чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs).
  • 3 (0x03) — чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers).
  • 4 (0x04) — чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers).

Запись одного значения:

  • 5 (0x05) — запись значения одного флага (Force Single Coil).
  • 6 (0x06) — запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register).

Запись нескольких значений:

15 (0x0F) — запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)
16 (0x10) — запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)

Наиболее часто используемые на практике функции (функциональные коды) ModBus это 3, 6 и 16 («Read Holding Registers», «Preset Single Register» и «Preset Multiple Registers» — соответственно).

CRC

CRC расшифровывается как Cyclic Redundancy check и переводится как “циклический избыточный код”. Это два байта, которые добавляются к каждому передаваемому сообщению протокола Modbus для обнаружения ошибок.

Необходимые компоненты

Аппаратное обеспечение

  1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  2. MAX485 TTL to RS485 Converter Module (модуль преобразования логики TTL в RS485) ( купить на AliExpress).
  3. USB to RS-485 Converter Module (преобразователь USB в RS-485) ( купить на AliExpress).
  4. Светодиод – 2 шт. (купить на AliExpress).
  5. Резистор 1 кОм – 2 шт. (купить на AliExpress).
  6. ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
  7. Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
  8. Сервомотор SG-90 (купить на AliExpress).

Программное обеспечение

Simply Modbus Master.

Схема проекта

Схема для последовательной связи по протоколу Modbus RS-485 с платой Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема для последовательной связи по протоколу Modbus RS-485 с платой ArduinoВ следующей таблице представлены необходимые соединения между платой Arduino Uno (ведомой) и модулем MAX485 TTL to RS485.

Arduino Uno Модуль MAX485 TTL to RS485
0(RX) RO
1(TX) DI
4 DE & RE
+5V VCC
GND GND

В следующей таблице представлены необходимые соединения между модулями MAX485 TTL to RS485 и USB to RS-485.

MAX485 TTL to RS485 USB to RS-485
A A
B B

В следующей таблице представлены необходимые соединения между платой Arduino Uno и ЖК дисплеем 16х2.

ЖК дисплей 16х2 Плата Arduino Uno
VSS GND
VDD +5V
V0 к потенциометру для управления яркостью/контрастностью дисплея
RS 8
RW GND
E 9
D4 10
D5 11
D6 12
D7 13
A +5V
K GND

В следующей таблице представлены необходимые соединения между платой Arduino Uno, светодиодами и сервомотором.

Arduino Uno 1-й светодиод 2-й светодиод сервомотор
2 Anode через 1k resistor - -
5 - Anode через 1k resistor -
6 - - PWM pin (Orange)
+5V - - +5V (RED)
GND Cathode GND Cathode GND GND (Brown)

Со схемой разобрались, можно переходить к написанию программы.

Объяснение программы Arduino для связи по протоколу Modbus RS-485

В нашем проекте плата Arduino Uno используется в качестве ведомого устройства (Slave) протокола Modbus. К плате Arduino Uno подключены два светодиода и сервомотор. Ведомая плата Arduino Uno управляется программным обеспечением Master Modbus. Связь между Master Modbus и платой Arduino Uno осуществляется с помощью модулей RS-485. Для подключения к компьютеру используется модуль преобразования USB в RS-485, а для подключения к плате Arduino Uno используется модуль преобразования MAX-485 TTL to RS-485. Собранная конструкция проекта выглядит следующим образом:

Собранная конструкция проекта

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Для использования протокола Modbus в плате Arduino Uno мы подключим в программе библиотеку <ModbusRtu.h>. Эта библиотека применяется для связи с ведущим или ведомым устройством Modbus RS-485 при помощи протокола RTU. Скачайте эту библиотеку по следующей ссылке - Modbus RTU. Добавьте ее в Arduino IDE при помощи команды Sketch->include library->Add .zip Library.

Первым делом в программе мы подключим необходимые библиотеки: <ModbusRtu.h> для работы с Modbus RS-485, а также библиотеки для работы с ЖК дисплеем и сервомотором.

Затем дадим названия контактам, к которым подключены светодиоды.

Далее сообщим плате Arduino Uno к каким ее контактам подключен ЖК дисплей при помощи создания объекта ЖК дисплея.

Далее инициализируем объекты для работы с сервомотором и протоколом Modbus.

Затем объявим массив, в котором будем хранить значение, получаемые по протоколу Modbus. Первоначально эти значения будут равны 0.

Далее в функции setup зададим режим работы ЖК дисплея (16x2), покажем на его экране приветственное сообщение и затем после задержки очистим экран.

После этого зададим режим работы для контактов, к которым подключены светодиоды – на вывод данных.

Сервомотор в нашем проекте подключен к контакту 6 (ШИМ) платы Arduino, поэтому используем соответствующую команду:

Теперь для связи по протоколу Modbus установим следующие параметры. Первая ‘1’ будет обозначать адрес ведомого (Slave ID), вторая ‘1’ будет обозначать что модуль RS-485 будет передавать данные, а ‘4’ будет обозначать, что контакты DE&RE модуля RS-485 подключены к контакту 4 платы Arduino.

Используемая нами скорость передачи данных по протоколу Modbus – 9600 бод/с.

Далее в функции loop мы будем использовать функцию bus.poll() чтобы задать параметры приема информации от ведущего устройства Modbus.

Мы будем проверять есть ли какие-нибудь данные в приемнике последовательного порта. Если там есть какие-нибудь данные, то с помощью библиотеки Modbus RTU мы будем проверять сообщение (адрес устройства, длину данных и проверочный код (CRC)) и на основании этого выполнять соответствующие действия.

К примеру, чтобы записать или считать данные от ведущего устройства (master), мы должны принять массив данных типа unsigned 16-bit integer и его длину от ведущего устройства Modbus.

В нашем проекте мы будем использовать три значения этого массива – два для управления светодиодами и одно для управления углом поворота оси сервомотора.

Чтобы включать/выключать первый светодиод (LED1) мы будем использовать значение modbus_array[0].

Чтобы включать/выключать второй светодиод (LED2) мы будем использовать значение modbus_array[1].

Для управления углом поворота оси сервомотора мы будем использовать значение modbus_array[2]. Также это значение мы будем показывать на экране ЖК дисплея 16x2.

Тестирование работы проекта

После того, как все необходимые соединения в проекте сделаны, программа загружена в плату Arduino и на компьютере установлена программа Simple Modbus Master, откройте диспетчер устройств на вашем компьютере и посмотрите там к какому COM порту подключен модуль преобразования USB в RS-485. После этого запустите программу Simply Modbus Master 8.1.1. Затем выполните следующую последовательность шагов.

1. В программе Simply Modbus откройте опции записи (Write option).

Открываем настройки записи в программе Simply Modbus

2. После этого установите параметры записи в программе Simply Modbus Master: режим RTU, COM порт к которому подключен модуль преобразования USB в RS-485 (в нашем случае это COM6), скорость 9600 бод, 8 бит данных, 1 стоповый бит, отсутствие бита четности (Parity None) и идентификатор ведомого (Slave ID) равный 1.

Установка параметров передачи данных в программе Simply Modbus Master

3. После этого установите в первом регистре (first register) значение 40001, число передаваемых значений (values) равное 3 и функциональный код (function code) равный 16 (Write Holding Register).

После этого запишите 1 в 40001 (для включения первого светодиода), 1 в 40002 (для включения второго светодиода) и 90 в 40003 (для задания угла поворота оси сервомотора), затем нажмите кнопку SEND (передать) – см. рисунок.

Горят оба светодиода, сервомотор повернут на 90 градусов

После этого вы увидите как загорятся оба светодиода, а сервомотор повернется на 90 градусов.

4. После этого запишите 1 в 40001, 0 в 40002 и 180 в 40003.

1-й светодиод горит, 2-й светодиод не горит, сервомотор повернут на 180 градусов

В результате этой операции первый светодиод включится, второй – выключится, а сервомотор повернется на угол 180 градусов.

5. Теперь запишите 135 в 40003, 0 в 40001 и 1 в 40002.

1-й светодиод не горит, 2-й светодиод горит, сервомотор повернут на 135 градусов

Вы увидите что сервомотор повернется на угол 135 градусов, первый светодиод выключится, а второй – включится.

Исходный код программы (скетча)

Видео, демонстрирующее работу проекта

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
5 393 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *