总线协议：基于RS-485的Modbus协议（2）：数据链路层（UART）实现

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Modbus协议规范（中文）

1 基于RS-485的Modbus协议的数据链路层实现

基于RS-485的Modbus协议的数据链路层实际上就是UART（通用异步收发器），只不过是将UART的数据变为RS-485总线的半双工、差分方式传输。

1.1 UART（通用异步收发器）概述

UART接口不使用时钟信号来同步发送器和接收器，而是以异步方式传输数据。发送器根据其时钟信号生成的位流取代了时钟信号，接收器内部使用其内部时钟信号对输入数据进行采样。
同步点是通过2个设备的相同波特率来管理的。如果波特率不同，发送和接收数据的时序可能会受影响，导致数据处理过程出现不一致。允许的波特率偏差最大值为10%，超过该值，位的时序就会错乱。

1.2 UART（通用异步收发器）帧格式

典型的UART帧由起始位、数组段、校验位、停止位组成，示意图如下：

注：
（1）当发送方UART帧某位为逻辑“1”时，RS-485总线也为逻辑“1”状态，RS-485总线信号A-B=+2~+6V。
（2）当发送方UART帧某位为逻辑“0”时，RS-485总线也为逻辑“0”状态，RS-485总线信号A-B=-2~-6V。

1.2.1 波特率

UART是异步通信，没有时钟线同步发送和接收方，因此需要在收发数据前需要约定好波特率，确定每个码元的长度，以进行数据解析。
一般来说，UART设置的波特率（单位：bps）如下：
1200、2400、9600、14400、19200、38400、56000、57600、115200、128000、230400、256000、460800、
500000、512000、600000、750000、921600、1000000、1500000、2000000
作为调试用途的串口波特率使用最多的是115200bps，在RS-485从机中最常见的是9600bps。

1.2.2 空闲状态

当UART处于空闲状态，也就是不发送数据时，UART的TX信号保持逻辑“1”状态，RS-485也处于逻辑“1”状态。

1.2.3 起始位

开始传输数据时，UART会将TX从高电平拉到低电平并保持一个时钟周期。当接收UART检测到信号从高到低跳变时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

1.2.4 数据段

数据段包含我们需要传输的数据。如果使用奇偶校验位，数据段的长度可以是5-8位。如果不使用奇偶校验位，数据段长度可以是5-9位。传输数据时低位在前高位在后（LSB）。

1.2.5 校验位（可选）

校验位是一个可选参数，通过奇偶校验位，接收UART可以判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。
校验位可选参数如下：
（1）无校验
无校验情况下，UART帧中不包含校验位，数据段最长可以设置为9位。
（2）奇校验
设置为奇校验时，校验位和数据段中逻辑“1”的数量总是为奇数。例如，数据段中逻辑“1”个数为3，则校验位会自动设置为逻辑“0”以保证校验位和数据段中逻辑“1”的数量总是为奇数。
（3）偶校验
设置为偶校验时，校验位和数据段中逻辑“1”的数量总是为偶数。例如，数据段中逻辑“1”个数为3，则校验位会自动设置为逻辑“1”以保证校验位和数据段中逻辑“1”的数量总是为偶数。
（4）0校验
校验位总是设置为逻辑“0”。
（5）1校验
校验位总是设置为逻辑“1”。

1.2.6 停止位

停止位用来表示UART帧的结束，数据传输线会从逻辑“0”切换到逻辑“1”并保持1-2位时间。

停止位可选长度一般为1、1.5、2位。