简单了解RS485与RS232（UART）

一、UART和RS232、RS485的关系
- 1、UART
- 2、RS232/RS485
- 3、RS232 与 RS485 的区别与联系
二、Modbus协议说明
- 1、什么是协议
- 2、Modbus协议说明
- 3、Modebus通信过程
- 4、Modbus存储区
- 5、Modbus协议类型
- 6、Modbus功能码
三、stm32+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议
参考

前言
当前智能汽车上一般配置有12路超声波雷达，这些专用超声波雷达内置了MCU，直接输出数字化的测距结果，一般硬件接口采用串口RS485，通信协议采用modbus。请思考：

1）RS485与RS232（UART）有什么不同？

2）Modbus协议是什么？

3）如果让你设计一款 12路车载超声波雷达，采用 stm32F103+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议，你的设计方案是什么？

一、UART和RS232、RS485的关系

1、UART

UART，是通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），既然是“器”，显然，它就是个设备而已，要完成一个特定的功能的硬件，它本身并不是协议。那么它要完成什么功能呢？它的最基本功能，是串行数据和并行数据之间的转换。我们知道，计算机中的数据以Byte为基本单位，对一个Byte的存取是并行的，即，同时取得/写入8个bit。而串行通信，需要把这个Byte“打碎”，按照时间顺序来收发以实现串行。例如：

内存中的数据是： 1 1 1 0 0 1 0 1

串行发送的实际效果是（按时间排序【注1】）：
1

接收则是上述过程的逆过程。

这就是UART做的最基本工作，进一步的，它还要控制“发车的班次”，比如确认一个Byte的这8个bit是什么时候开始的，又是什么时候结束的，两个班次之间至少要隔多长时间的缓冲，等等。这一部分，也具有协议的特征，但是相对于道路上的协议，更具有一般性，或曰，是与车在什么道路上开，相对独立的。

2、RS232/RS485

RS232，RS485是一种电平标准

数据在通信双方之间传输，本质是传输物理的电平比方说传输5V的电压 -1V的电压信号，这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰，比方说你传输一个5V的电压，到了接收端可能就变成了4.8V，并且通信的双方高低电平的参考电压可能不同。

那么这个时候就需要一个电平标准，来判断多少V的电压是高电平 1，多少V的电压是低电平 0 这就诞生了 RS-485 RS-232

RS232：是电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 制定的异步传输标准接口，同时对应着电平标准和通信协议（时序），其电平标准：+3V～+15V对应0，-3V～-15V对应1。

全双工
逻辑1：-15V–5V
逻辑0：+3V–+15V
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RS485：RS485是一种串口接口标准，为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，抗干扰能力比RS232强很多。两线压差为-2_{-6V表示0，两线压差为+2}+6V表示1

半双工
逻辑1：+2V~+6V
逻辑0： -2V~ -6V
注意485的电平指的是485-A和485-B两根传输线，两线间的电压差。而不是传输线上的电压
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3、RS232 与 RS485 的区别与联系

区别：
（1）抗干扰性：

RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。
RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（2）传输距离：

RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米（9600bps 时），实际上可达 3000 米。
RS232 传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 米，实际上也只能用在 15 米左右。
（3）通信能力：

RS-485 接口在总线上是允许连接多达 128 个收发器，即具有多站能力,这样用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。
RS-232 只允许一对一通信。
（4）传输速率：

传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。
RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 。

联系：

都可通过 DB-9 连接器连接.
接口均可采用屏蔽双绞线传输。
都是串行通信。
通信方式都是全双工。（一般情况 485 是半双工）

二、Modbus协议说明

1、什么是协议

在了解什么是Modbus之前，我们先来看下什么是协议

协议是一个汉语词汇，读音为xié yì，意思是共同计议，协商；经过谈判、协商而制定的共同承认、共同遵守的文件。

简单的说协议就是规则，我们需要了解规则，遵守规则，运用规则

我们的单片机之间互相通信，以及单片机和上位机通信中，规定了不同的内容规范，这个规范是通信的双方都需要遵守的，这样就可以实现两者的通信。
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而这个协议规范可以有很多种，来适应不同的设备以及通信要求等，我们常见的就有IIC SPI UART串口通信协议等等。而Modbus也是一个串行通信协议。

2、Modbus协议说明

Modbus诞生于1979年莫迪康公司后来被施耐德电气公司收购。Modbus提供通用语言用于彼此通信的设备和设备。
Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议

Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求
Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等
Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络

3、Modebus通信过程

注意Modbus是一主多从的通信协议

Modbus通信中只有一个设备可以发送请求。其他从设备接收主机发送的数据来进行响应，从机是任何外围设备，如I/O传感器，阀门，网络驱动器，或其他测量类型的设备。从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。

也就是说,不能Modbus同步进行通信,主机在同一时间内只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输,即主机发送,从机应答,主机不发送,总线上就没有数据通信。

从机不会自己发送消息给主站，只能回复从主机发送的消息请求。
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并且，Modbus并没有忙机制判断，比方说主机给从机发送命令，从机没有收到或者正在处理其他东西，这时候就不能响应主机，因为modbus的总线只是传输数据，没有其他仲裁机制，所以需要通过软件的方式来判断是否正常接收。

4、Modbus存储区

既然从机存储数据，那么肯定要有一个存储区，那就需要文件操作，我们都知道这文件可以分为只读(-r)和读写(-wr)两种类型

并且存储的数据类型可以分为：布尔量和 16位寄存器

布尔量比如IO口的电平高低，灯的开关状态等。
16位寄存器比如传感器的温度数据，存储的密码等。
Modbus协议规定了4个存储区分别是0 1 3 4区其中1区和4区是可读可写，1区和3区是只读。

Modbus协议规定了4个存储区 分别是0 1 3 4区其中1区和4区是可读可写，1区和3区是只读
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并且Modbus还给每个区都划分了地址范围主机向从机获取数据时，只需要告诉从机数据的起始地址，还有获取多少字节的数据，从机就可以发送数据给主机

Modbus数据模型规定了具体的地址范围，每一个从机，都有实际的物理存储，跟modbus的存储区相对应，主机读写从机的存储区，实际上就是对从机设备对应的实际存储空间进行读写。

5、Modbus协议类型

在上面我们已经说明了Modbus可以在各种介质上传输，那么他的传输模式也分为三种。包括ASCII、RTU(远程终端控制系统)、TCP三种报文类型

串行端口存在多个版本的Modbus协议，而最常见的是下面四种：

Modbus-Rtu
Modbus-Ascii
Modbus-Tcp
ModbusPlus
Modbus RTU是一种紧凑的，十六进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种采用Ascii码表示数据，并且每个8Bit 字节都作为两个ASCII字符发送的表示方式。
RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。

Modbus协议使用串口传输时可以选择RTU或ASCII模式，并规定了消息、数据结构、命令和应答方式并需要对数据进行校验。ASCII 模式采用LRC校验，RTU模式采用16 位CRC校验。通过以太网传输时使用TCP，这种模式不使用校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。
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当然常用的就是RTU模式，ASCII一般很少

举一个简单的例子，如果我们需要发送一个数字10 那么RTU模式下，只需要发送 0x0A 总线上传输数据形式为： 0000 1010

而ASCII码模式则将数据1和0转为’1’和’0’,需要发送0x31(1) 0x30(0)两个字节数据。总线上传输数据形式为： 0011 0001 0011 0000

详细的我们等下再阐述

Modbus-RTU协议
Modbus报文帧结构
一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文：指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据。

Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容

Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：

从站地址功能码数据 CRC/LRC 1 byte 1 byte N bytes 2 bytes
帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验 从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)

功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确

6、Modbus功能码

Modbus规定了多个功能，那么为了方便的使用这些功能，我们给每个功能都设定一个功能码，也就是指代码。

Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：
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CRC校验
**错误校验（CRC）域占用两个字节包含了一个16位的二进制值。**CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。
比如主机发出01 06 00 01 00 17 98 04， 98 04 两个字节是校验位，那么从机接收到后要根据01 06 00 01 00 17 再计算CRC校验值，从机判断自己计算出来的CRC校验是否与接收的CRC校验（98 04主机计算的）相等，如果不相等那么说明数据传输有错误，这些数据就不能要

CRC校验流程：

1、预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。

2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。

3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。

4 、如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。

5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。

6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。

7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外还有一种利用预设的表格计算CRC的方法，它的主要特点是计算速度快，但是表格需要较大的存储空间，该方法此处不在阐述

三、stm32+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议

超声波雷达模块
超声波传感器：12个HC-SR04模块，每个模块有Trig和Echo引脚。
连接方式：将每个HC-SR04模块的Trig和Echo引脚分别连接到STM32F103的GPIO引脚上。
微控制器
微控制器：STM32F103系列，至少需要12个GPIO用于超声波模块的Trig和Echo信号。
时钟设置：72MHz的系统时钟频率。
通信接口
RS485接口：采用MAX485芯片，实现RS485物理层通信。
串口配置：STM32的USART接口用于与MAX485通信。
电源管理
电源：汽车电源通常为12V，需要DC-DC转换器将12V转换为STM32和HC-SR04模块所需的5V和3.3V。
3.2 软件设计
底层驱动
GPIO驱动：配置GPIO引脚为输出模式（Trig）和输入模式（Echo）。
定时器驱动：使用定时器捕获HC-SR04的Echo信号高电平时间，计算距离。
USART驱动：配置USART用于RS485通信，波特率根据具体需求设置，一般为9600或115200。
测距算法
触发信号：发送至少10us的高电平到Trig引脚。
捕获回波：定时器捕获Echo信号的高电平时间，通过时间计算距离。
Modbus协议栈
帧格式：实现Modbus RTU协议的帧格式，包括地址域、功能码、数据域和CRC校验
读写操作：支持基本的读寄存器和写寄存器操作，读取超声波模块的测距数据。
数据处理
距离测量：每个超声波模块测量到的距离存储在STM32的寄存器中。
错误处理：处理测量超时或无效数据的情况，确保系统的可靠性。
3.3 实现步骤
硬件连接

超声波模块连接：将每个HC-SR04的Trig和Echo分别连接到STM32的GPIO引脚，例如：Trig1 -> PA0, Echo1 -> PA1, Trig2 -> PA2, Echo2 -> PA3，依此类推。
RS485连接：MAX485的DI连接到STM32的TX引脚，RO连接到STM32的RX引脚，DE和RE引脚连接在一起并连接到STM32的一个控制引脚（例如PA4），用于控制发送和接收状态。
电源连接：确保所有模块都供电正常，STM32和HC-SR04都需要3.3V/5V供电，MAX485需要5V供电。
软件开发