在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信開發(fā)中，485 總線與 Modbus 協(xié)議的組合應(yīng)用十分常見。本文以Air780EHV 系列模組為實(shí)例，圍繞 LuatOS 開發(fā)環(huán)境，詳解 485 總線的硬件設(shè)計細(xì)節(jié)，包括其與 UART 的關(guān)聯(lián)、電平匹配處理及不同防護(hù)等級的 TVS 器件選型，同時介紹 LuatOS 輕量化的 exmodbus 擴(kuò)展庫，并給出該庫實(shí)現(xiàn) Modbus RTU 主站通信的代碼示例與相關(guān)文檔查閱渠道。

Air780EHV 系列模組的相關(guān)參數(shù)說明如下：

該模組可適配多種外設(shè)，包含 SPI 串口屏、墨水屏、OLED 單色屏、30 萬像素攝像頭，同時具備 CAN、RJ45 以太網(wǎng)、485、USB、UART、SPI、I2C、PWM、GPIO 等接口。
網(wǎng)絡(luò)通信方面，模組支持 TCP/UDP、TCP-SSL/TCP-TLS、FTP、MQTT、HTTP、WebSocket、NTP、Modbus 協(xié)議。
模組集成 4G 通信與音頻模塊，可實(shí)現(xiàn)語音通話、錄音播放以及 TTS 功能。
工業(yè)通信中非常經(jīng)典的485總線，硬件設(shè)計中需要注意的細(xì)節(jié)，Modbus協(xié)議在LuatOS開發(fā)中的應(yīng)用，詳見下文。

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、電平匹配問題

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

由于上一章節(jié)參考設(shè)計中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，則需要分立元器件電平轉(zhuǎn)換電路或電平轉(zhuǎn)換芯片。

常見的分立元器件電平轉(zhuǎn)換電路如下：

三、485總線接口的TVS防護(hù)

工業(yè)現(xiàn)場環(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，常用的型號有SM712系列，如果防護(hù)等級要求較高，也可以選擇如下推薦的型號。

ESD等級防護(hù)：適用于一般靜電防護(hù)場景。型號：應(yīng)能微ASM712

TVS等級防護(hù)：具備2KV 1.2/50uS浪涌能力。型號：應(yīng)能微SMBJ7.0CAW

TSS等級防護(hù)：具備4KV 10/700uS浪涌能力。型號：應(yīng)能微P0080SA

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，但使用難度較高。而exmodbus擴(kuò)展庫——在核心庫的基礎(chǔ)上封裝了更簡潔易用的API，降低開發(fā)難度，易于開發(fā)者集成Modbus通信。

exmodbus最新API文檔詳見資料中心

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
log.info("main", PROJECT, VERSION)

local exmodbus = require("exmodbus")

-- 使用 Air8000 開發(fā)板測試打開這兩個
gpio.setup(16, 1)         -- RS485 芯片供電引腳
local rs485_dir_gpio = 17 -- RS485 方向引腳

-- 使用 Air780EPM 開發(fā)板測試打開這三個；
-- 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)；
-- 說明：創(chuàng)建 RTU 主站時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
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  -- 超時時間 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

-- 特別說明：
-- 接下來的判斷是針對 modbus RTU 標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)格式的應(yīng)答原始幀來解析的
-- 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，需要修改接下來的解析代碼

-- 1. 檢查總長度：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)長度錯誤，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)字段錯誤，期望 4，實(shí)際:", byte_count)
return
end

-- 5. 校驗(yàn)CRC
-- 計算前 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)錯誤，計算值:", 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）")
end

end

-- 定時任務(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句!!!!

以上為 485 總線硬件設(shè)計核心要點(diǎn)及 LuatOS 環(huán)境下 Modbus 協(xié)議應(yīng)用的相關(guān)分享，內(nèi)容涵蓋 485 總線與 UART 的關(guān)系、電平匹配、TVS 防護(hù)以及 exmodbus 擴(kuò)展庫的優(yōu)化內(nèi)容，相關(guān)實(shí)操內(nèi)容可供工程技術(shù)人員參考，用于解決實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)問題。

審核編輯 黃宇