RS232、RS485、RJ45、Modbus协议傻傻分不清楚？看完这篇豁然开朗

RS232、RS485、RJ45、Modbus协议傻傻分不清楚？看完这篇豁然开朗

设想直流电源，它的输出端插座接口有三个管脚，分别是正极、负极和接地极。相应地，负载的插头也应当有三个管脚与电源侧一一对应，这样才能正确地获得电能供应。

注意到这里有三个必须满足的条件：

第一是插头和插座管脚的形状、大小和插针直径及长度必须一一对应，否则无法完成接插操作。这一点规定了插头组合的物理结构和管脚定义。

第二是电源的输出电压值必须满足载侧的需求值，否则无法完成电参量的要求。这一点决定了插头组合的电平规范。

第三是电源的输出阻抗与负载的输入阻抗必须匹配，否则不能实现完善的供电。这一点决定了电源的工作性质。

这三点其实就是电源插头组合在物理层面上的规范性协议。

再看通信接口。在有关计算机信息交换的ISO/OSI模型里，物理层是最底层（第一层），它规定了接口的机械外形、接口管脚定义、接口电平和字节格式。

这里的字节格式，指的是一个字节中有几个数据位，有几个起始位/停止位，有几个奇偶校验位。一般地，一个字节有8个数据位，1个起始位（停止位），和1个奇偶校验位。注意：起始位和停止位可以合并。

再看通信接口和通信网络的工作制问题。

当我们拿手机挂电话时，我们发现通信双方在通话的同时也可以接听，这叫做全双工（双向工作制）；如果说话的时候不能听，而接听的时候不能说，但任何一方都具有说和听的能力，也就是对讲机的通话型式，这叫做半双工。

我们发现，从电气接线来看，链路是并联的。但从通信来看，链路是菊花瓣的，属于一个接一个的有秩序的连接。

现在我们可以总结一下了：

RS485的总线网络接线方式必须是链形菊花瓣的接线方式，并且属于半双工的通信方式；RS232是点到点的接线方式，属于全双工通信。不管是RS232接口，还是RS485接口，它们必须符合物理层的通信规约。

再看MODBUS-RTU通信协议：

有了物理层通信接口，是不是就能通信呢?答案是否定的。物理层通信接口只是使得通信双方具备通信条件而已。但若双方说的话谁都听不懂，或者通信双方的说话方式及语法结构不相符，显然这也无法通信。

在OSI模型中，物理层之上是数据链路层。MODBUS-RTU协议就是数据链路层协议，只要通信双方都采用了MODBUS-RTU协议，则能确保通信语言是双方都能听得懂的语句格式。

注意这里的词汇“语句”。物理层定义的是字节，相当于语言中的字，数据链路层则把字节组织成语句，也即帧。帧规定了通信双方所用语句的语法结构。

MODBUS也是主从式的。和物理层的总线控制是一样的，这里的主从关系，就是对通信总线的控制权做了规定。主站先下达命令，占用总线；接着把总线空置，交给从站去写回应码；从站完成后，再把总线还给主站。

现在我们来看看ISO的HDLC规定的帧结构，也即通信语句的语法结构，如下：

需要明确的是：从网络层再往上，各层之间发送的信息单位已经是完整的报文了。OSI模型也规定了报文的语法结构，限于篇幅给予忽略。

值得注意的是：RS232/RS485/RS422通信接口以及它们的定义，是非常明确的。包括管脚的电平，管脚的功能定义，以及接口在信息发送和接收信息时的数据流时序关系，这些都必须准确和严格，否则就无法执行信息交换。

当PLC与某电力仪表交换信息，并且这些电力仪表符合RS485/MODBUS-RTU通信规范。我们要做什么事呢？

第一，我们按菊花瓣结构的通信链路要求去接线，将PLC的通信接口与N个电力仪表接口连接起来。最后一个电力仪表的末端要配100欧的终端电阻。

第二，我们把这N个电力仪表按地址递增的原则确定各自的地址，例如01H、02H、1FH等等。这里的H表示是16进制，1F表示16 15=31。

第三，我们在PLC编程软件中设定好电力仪表规定的通信速率。

第四，我们在PLC编程软件中按电力仪表的数据区地址码设定好MODBUS通信码，以及各个子站的循环关系。

注意，这里的MODBUS通信码满足PLC的IEC 61131-3编程模块要求，一般的PLC梯形图没有此功能。梯形图满足IEC 61131-1要求，但不满足IEC 61131-3要求。

第五，在PLC的内存中开辟专用数据区，存放从电力仪表读取到并处理后的信息，以便让更高层的总站来读取信息。此数据区有一个名称，叫做数据点表，有时也简称通信协议。

最后，当然就是开机测试了。其中的内容很多，限于篇幅不再介绍。

我们来看一个在RS485网络上用MODBUS-RTU读取数据的例子，如下：

某电力仪表，地址是01H。在电力仪表内存第2000的位置上，放置了三相电流和三相电压等6个数据，每个数据占用两个字节，共12个字节。

此电力仪表的通信速率是9600bps。什么意思呢？bps表示一个0/1，也就是比特，这说明每秒钟这条总线上可以发送9600个比特。我们已经知道一个字节有8个数据位，1个起始位，1个奇偶校验位，刚好10位或者10个比特，所以，如果电力仪表的通信速率是9600bps，那么1秒钟就可以发送：9600/10=960个字节。

我们还知道，主站的读数据的帧结构（下行帧）中，有1个字节的地址，1个字节的功能码，2个字节的内存地址，2个字节的数据数量，2个字节的CRC校验码，总共有8个字节，所以主站发送读数据MODBUS通信帧占用的时间是：8X10/9600=8.33毫秒。

对于本例，我们知道MODBUS-RUT读数据的命令是0X03H，也即03命令。注意这里的写法：0X是字头，中间的03是命令，最后的H表示是16进制。

具体通信帧的是：01 03 07 D0 00 06 C5 45，其中0X01H是地址，0X03H是命令，0X07D0H是内存地址2000，0X0006H表示读取连续6个字，也即内存中的电流和电压参数，0XC545H是01 03 07 D0 00 06的CRC校验码。

那么电力仪表的回应帧（上行帧）的帧结构是：1个字节的地址，1个字节的功能码，1个字节的数据区字节数，12个字节的数据，2个字节的CRC校验码，总共17个字节，占用时间是：17X10/9600=17.7毫秒。

具体的仪表回应通信帧是：01 03 0C 00 64 0064 0064 00 DC 00 DC 00 DC D6 F5，其中0X01H和0X03H的意义同前，0X0CH表示上传数据区有12个字节，0X0064H表示A相电流为100A，后面的两组为B相和C相电流，均为100A，0X00DCH表示A相电压为220V，其后两组为B相和C相电压，均为220V，最后0XD6F5H为CRC校验码。

从主站发起下行通信帧，再等待10毫秒让从站回应，再接收到从站发还的上行通信帧，总历时为：

这里的1.12秒就是在通信速率为9600bps下这31台仪表的读数据循环周期，且忽略了主站再次发送下行通信帧的等待时间，实际时间会略微再长一些。

相信，看到这里，大家对MODBUS-RTU下的通信帧应当有了较为深刻的认识。

提醒大家：一个字有两个字节。一般地，字节只能用来表达8个开关量。但对于模拟量，则要用字来表达。例如电流1250A，16进制下是04E2H，要用2个字节才能表达完整。也因此，各种电力仪表中，模拟量都是用字来表达的。

以下是MODBUS的部分常用功能码，也即命令码：

几个相关的问题解释一下：

1）有些现场总线，用令牌解决了总线的控制权问题。

大家很容易想到，如果从站有紧急事项需要主站来服务，可是MODBUS规定了轮询规则，等到自己的时候，可能会太迟了。于是许多现场总线就发明了一个特殊的东西，叫做令牌。令牌很短，只有一个字节，它可以很快地在总线上传递。令牌在各站点中传递，谁拿到令牌，谁就是主站，就可以发布信息。如果本站没有事情需要发布，就把令牌交给下一个站点，由此解决了总线占用问题。

2）当链路发生断路时，为了避免出现通信中断，可采用双主站措施。双主站（PLC的两个主站RS485接口）之间用握手线连接，平时主用RS485开通，而辅助RS485浮空。浮空的RS485虽然接在总线上，但它处于高阻态等效于完全脱离。当发生断路时，从站确认后立即开通通信，从链路两头进行连接通信。

有时，还采取环状通信措施。限于篇幅，不做介绍。

3）MODBUS可工作在网络层，此时协议变为MODBUS-TCP，但还是符合主从结构。

4）MODBUS协议是美国莫迪康公司发明的，该公司的宗旨是：MODBUS协议为不收费的公开协议。后来莫迪康公司被施耐德公司收购了，施耐德公司继承了莫迪康公司的做法，MODBUS是不收费的公开协议。既然MODBUS已经成为施耐德的协议，施耐德把它延伸到网络层，构建了网络层的MODBUS-TCP协议，以及内部专用的MODBUS-PLUS协议。限于篇幅，对于这两个协议的描述此处从略。

5）关于RS232和RS485的区别

学过模电和数电的人都知道差分电路。差分电路具有共模抑制比，能够消除共模误差。RS485接口就具有此特征。因此RS232接口的传输距离仅为十几米，而RS485/RS422接口的传输距离为1200米。

我们从图中看到，虽然RS232和RS485接口的外形是一致的，但它们的性能和信息交换模式不同，因此抗干扰能力也不同。

6）当距离很长的时候，RS485接口还可以接入光纤，但需要配备1对光纤转换器。之所以要1对，是因为其中一只用于电转光，而第二只则用于光转电。光纤收发器中间的通信介质就是光缆或者光纤。（注意哦，光纤是光缆的芯线，不要以为是两种东西）

光纤分为单模和多模。单模的光纤较细，光在传输过程中反射较少，因而失真小，其传输距离可达15km以上；多模的光纤较粗，光在传输过程中反射较多，因而失真大，其传输距离为1.5km。

MODBUS在实际使用中，大多数都采用BCD码，因此MODBUS-RTU得到广泛应用。

BCD码如下：

值得注意的是：在协议使用中，数据帧中的数值都是用16进制数来表达的。例如100A电流写成0X64H，而380V电压则写成0X17CH。

9）关于RS485网络使用的双绞通信线和接地

我们知道，两条平行的线缆之间会有分布电容，而分布电容会削弱信号的强度。为了消除分布电容，通信线的两条平行线需要按一定长度互相旋转对绞，这种线被称为双绞线。双绞线的对绞长度有规范，它与通信速率密切相关。在实际使用时，要按通信速率来选择合适的双绞线。

双绞线的外层有屏蔽层。屏蔽层必须单点接地，不得在线头线尾同时接地，防止地电流流过引起干扰。在实际布线时，采取各线段独立接地，切忌采用所有线段的屏蔽层前后连接统一接地的做法。

10）关于菊花瓣的通信链路连接方式

绝对的菊花瓣链形网络是不存在的。事实上，我们用菊花瓣链形接线方法构建的通信网络中，各个节点是接线端子，由接线端子通过双绞线连接到各个子站，这些双绞线就构成了类似的星形结构，我们不妨把这种接线方式称为链形网络下的准星形接线。

在工程实践中证明，准星形接线的长度不得超过70cm。一旦超过，则可能出现通信不稳定状态。

事实上，70cm也成为行业中的一条不成文的质检规范。

100欧终端电阻在通信速率低时可加可不加，但当通信速率较高时（高于19.2kbps），建议一定要加。例如PROFIBUS下的RS485网络，终端电阻已经植入终端设备中，只需拨动开关即可加入或者撤离。

终端电阻的用途是吸收反射波。

我们在两棵树间紧紧地绑上一根绳子，接着敲击绳子的某一侧，我们会看到有传导波向另一端传去，并能看到反射波。如果敲击的频率适当，则在绳子中间出现波的不动点，这叫做驻波。

对于通信来说，不管是反射波还是驻波，将严重影响通信质量。终端电阻用于吸收反射波，并且可提升最终子站的电平水平。

RS485和MODBUS这两个概念，都需要通过实践去掌握它们，单单凭着阅读文本，很难理解和掌握。如果这篇小文能给大家的实践活动带来益处，我会感到分外欣慰。

来源：知乎问答，张白帆老师