工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信開(kāi)發(fā)中，485 總線搭配 Modbus 協(xié)議的方案應(yīng)用廣泛。今天來(lái)和大家分享下，Air780EHV通信SoC模組，使用485總線通信的硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及LuatOS下Modbus協(xié)議的實(shí)操應(yīng)用。

一、485總線接口與UART的關(guān)系

485總線接口本質(zhì)上是UART總線接口的一種應(yīng)用，需要搭配485收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)。

二、電平匹配問(wèn)題

在UART與485收發(fā)器芯片的搭配中，最常見(jiàn)需要注意的一個(gè)問(wèn)題是電平匹配。

由于上一章節(jié)參考設(shè)計(jì)中Air780EHV和SP3485都是3.3V的IO電平，所以不再需要分立元器件電平轉(zhuǎn)換電路或電平轉(zhuǎn)換芯片。

當(dāng)雙方電平不一致時(shí)，則需要分立元器件電平轉(zhuǎn)換電路或電平轉(zhuǎn)換芯片。

常見(jiàn)的分立元器件電平轉(zhuǎn)換電路如下：

Air780EHV 系列模組的相關(guān)參數(shù)說(shuō)明如下：

該模組適配 320*480 LCD 屏、30 萬(wàn)像素?cái)z像頭，具備 CAN、RJ45 以太網(wǎng)、485、USB、UART、SPI、I2C、PWM、GPIO 等豐富接口。

網(wǎng)絡(luò)支持 TCP/UDP、MQTT、HTTP、NTP、Modbus 等多種協(xié)議，集成 4G 與音頻模塊，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話、錄音播放及 TTS 功能。

工業(yè)通信中非常經(jīng)典的485總線，硬件設(shè)計(jì)中需要注意的細(xì)節(jié)，Modbus協(xié)議在LuatOS開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，詳見(jiàn)下文。

三、485總線接口的TVS防護(hù)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，485總線經(jīng)常面臨靜電、浪涌等威脅，因此接口保護(hù)必不可少。

485接口用TVS，可以根據(jù)防護(hù)等級(jí)要求去選擇：

• ESD等級(jí)防護(hù)：適用于一般靜電防護(hù)場(chǎng)景。
• TVS等級(jí)防護(hù)：具備2KV 1.2/50uS浪涌能力。
• TSS等級(jí)防護(hù)：具備4KV 10/700uS浪涌能力。

四、Modbus通信協(xié)議

與485總線接口相關(guān)的通信協(xié)議是Modbus。LuatOS的modbus核心庫(kù)，但使用難度較高。而exmodbus擴(kuò)展庫(kù)——在核心庫(kù)的基礎(chǔ)上封裝了更簡(jiǎn)潔易用的API，降低開(kāi)發(fā)難度，易于開(kāi)發(fā)者集成Modbus通信。

exmodbus最新API文檔詳見(jiàn)資料中心

核心示例持續(xù)更新中！

PROJECT = "RTU_MASTER"
VERSION = "001.000.000"

-- 在日志中打印項(xiàng)目名和項(xiàng)目版本號(hào)
log.info("main", PROJECT, VERSION)

local exmodbus = require("exmodbus")

-- 使用 Air8000 開(kāi)發(fā)板測(cè)試打開(kāi)這兩個(gè)
gpio.setup(16, 1)         -- RS485 芯片供電引腳
local rs485_dir_gpio = 17 -- RS485 方向引腳

-- 使用 Air780EPM 開(kāi)發(fā)板測(cè)試打開(kāi)這三個(gè)；
-- gpio.setup(1, 1)          -- Air780EPM RS485 芯片供電引腳
-- gpio.setup(23, 1)         -- Air780EPM vref 腳拉高
-- local rs485_dir_gpio = 24 -- Air780EPM RS485 方向引腳（V1.2 是 25，V1.3 是 24）

-- 創(chuàng)建 RTU 主站配置參數(shù)；
-- 說(shuō)明：創(chuàng)建 RTU 主站時(shí)只需要配置如下參數(shù)即可；
local create_config = {
-- 串口配置參數(shù)；
mode = exmodbus.RTU_MASTER,      -- 通信模式
uart_id = 1,                     -- UART 端口號(hào)
baud_rate = 115200,              -- 波特率
data_bits = 8,                   -- 數(shù)據(jù)位
stop_bits = 1,                   -- 停止位
parity_bits = uart.None,         -- 校驗(yàn)位
byte_order = uart.LSB,           -- 字節(jié)順序
rs485_dir_gpio = rs485_dir_gpio, -- RS485 方向引腳
rs485_dir_rx_level = 0,          -- RS485 接收方向電平
}

-- 初始化從站 1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
-- 用于記錄從站 1 保持寄存器 0-1 的值；
local slave1_data = {}

-- 配置讀取從站 1 保持寄存器 0-1 的值；
local read_config = {
raw_request = string.char(
0x01,       -- 從站地址
0x03,       -- 功能碼：讀取保持寄存器
0x00, 0x00, -- 寄存器起始地址
0x00, 0x02, -- 寄存器數(shù)量
0xC4, 0x0B  -- CRC16校驗(yàn)碼
),
timeout = 1000  -- 超時(shí)時(shí)間 1000 ms
}

-- 創(chuàng)建 RTU 主站實(shí)例
local rtu_master = exmodbus.create(create_config)

-- 判斷主站是否創(chuàng)建成功并記錄日志
if not rtu_master then
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 創(chuàng)建失敗")
else
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 創(chuàng)建成功")
end

-- 讀取從站 1 保持寄存器數(shù)據(jù)的函數(shù)
local function read_slave1_holding_registers()
log.info("exmodbus_test", "開(kāi)始讀取從站 1 保持寄存器 0-1 的值")

-- 執(zhí)行讀取操作
local read_result = rtu_master:read(read_config)

-- 根據(jù)返回狀態(tài)處理結(jié)果
if read_result.status == exmodbus.STATUS_SUCCESS then
local resp = read_result.raw_response

-- 特別說(shuō)明：
-- 接下來(lái)的判斷是針對(duì) modbus RTU 標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)格式的應(yīng)答原始幀來(lái)解析的
-- 在實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)自己項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)答原始幀格式進(jìn)行解析
-- 如果實(shí)際格式與此處演示的格式不一致，需要修改接下來(lái)的解析代碼

-- 1. 檢查總長(zhǎng)度：必須為 9 字節(jié)（1 地址 + 1 功能碼 + 1 字節(jié)數(shù) + 4 數(shù)據(jù) + 2 CRC）
if #resp ~= 9 then
log.info("exmodbus_test", "響應(yīng)長(zhǎng)度錯(cuò)誤，期望 9 字節(jié)，實(shí)際:", #resp)
return
end

-- 2. 檢查從站地址
if string.byte(resp, 1) ~= 0x01 then
log.info("exmodbus_test", "從站地址不匹配，收到:", string.byte(resp, 1))
return
end

-- 3. 檢查功能碼
local func_code = string.byte(resp, 2)
if func_code == 0x83 then
local exc_code = string.byte(resp, 3)
log.info("exmodbus_test", "從站返回異常響應(yīng)，異常碼:", exc_code)
return
elseif func_code ~= 0x03 then
log.info("exmodbus_test", "功能碼錯(cuò)誤，收到:", func_code)
return
end

-- 4. 檢查字節(jié)數(shù)字段（應(yīng)為 4）
local byte_count = string.byte(resp, 3)
if byte_count ~= 4 then
log.info("exmodbus_test", "字節(jié)數(shù)字段錯(cuò)誤，期望 4，實(shí)際:", byte_count)
return
end

-- 5. 校驗(yàn)CRC
-- 計(jì)算前 7 字節(jié)的 CRC
local crc_calculated = crypto.crc16_modbus(resp:sub(1, 7))
-- 提取接收到的 CRC
local crc_received = string.unpack("< I2", resp, 8)
-- 比較 CRC
if crc_calculated ~= crc_received then
log.info("exmodbus_test", "CRC 校驗(yàn)錯(cuò)誤，計(jì)算值:", crc_calculated, "，接收值:", crc_received)
return
end

-- 6. 解析寄存器數(shù)據(jù)（從第 4 字節(jié)開(kāi)始，大端序）
local data1 = string.unpack(" >I2", resp, 4) -- 寄存器 0，偏移 4
local data2 = string.unpack(" >I2", resp, 6) -- 寄存器 1，偏移 6

-- 7. 記錄數(shù)據(jù)
slave1_data[0] = data1
slave1_data[1] = data2

-- 8. 記錄日志
log.info("exmodbus_test", "成功讀取到從站 1 保持寄存器 0-1 的值，寄存器 0 數(shù)值為", slave1_data[0], "，寄存器 1 數(shù)值為", slave1_data[1])

elseif read_result.status == exmodbus.STATUS_TIMEOUT then
log.info("exmodbus_test", "未收到從站 1 的響應(yīng)（超時(shí)）")
end

end

-- 定時(shí)任務(wù)函數(shù)：每 2 秒調(diào)用一次讀取函數(shù)
local function task()
while true do
if rtu_master then
-- 每 2 秒調(diào)用一次讀取函數(shù)
read_slave1_holding_registers()
else
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 未創(chuàng)建，無(wú)法執(zhí)行 read_slave1_holding_registers()")
end
sys.wait(2000)
end
end

-- 初始化任務(wù)
sys.taskInit(task)

-- 用戶代碼已結(jié)束---------------------------------------------
-- 結(jié)尾總是這一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何語(yǔ)句!!!!

今天的分享就到這里啦~

審核編輯 黃宇