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    2021-4-20 13:07
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    当RS485隔离遇见Freemodbus,你碰到问题了吗?
    摘要: 基于 RS485 物理接口的 Modbus 总线在工业控制中广泛应用。 Freemodbus 是一个免费的实用的协议栈,孔丙火(微信公众号:孔丙火)用它实现了一个从站。串口收发信号和 RS485 芯片的收发使能信号采用光耦进行了隔离,在测试过程发现了偶尔出现 TimeOut 的问题,经过查找及分析,发现是光耦信号延时导致的,给出了解决方案,并对问题进行了详细分析。 关键词: RS485 隔离 Freemodbus 光耦 时序 1. 问题来源 工业应用中,在进行 RS485 电路设计的时候,为了确保电气安全和抗干扰性,经常会做信号隔离,光耦隔离是常用的一种形式。 Modbus 协议是现场总线协议中比较常见的一种,其设计和使用简单,运行可靠,在可编程控制器、仪器仪表、传感器中使用广泛,其中,基于 RS485 物理接口的 Modbus 总线使用最多。 Modbus 是主从式的通信结构,一个系统中仅有一个主站,其他为从站。 Freemodbus 是一个免费的协议栈,仅支持从站。 Freemodbus 有专门的机构在维护,比较成熟,相对于自己编写的协议代码,运行更稳定,是开发者在研发时的常用选项。 近来,孔丙火(微信公众号:孔丙火)在设计一个基于 Modbus-RTU 接口的信号采集站,作为从站,把采集到的信号传输给 PLC 等主站设备。单片机采用 STM32F103C8T6 , RS485 芯片: SP485EEN ,接收和发送的隔离采用光耦 PC410 , 485 收发使能信号的隔离采用光耦 EL357NB 。 RS485 部分的原理图如图 1 所示。 图 1 程序设计中,采用 Freemodbus 协议栈实现 Modbus-RTU 协议,串口速率为 115200bps ,数据位 8 位,停止位 1 位,无校验。 在使用 Modbus 主站软件( Modbus Poll )进行调试的过程中,孔丙火(微信公众号:孔丙火)发现通信过程中会出现 TimeOut 的错误,有以下几个特点: a )并不是每一帧都会出错,但会不定时地出现; b )主站询从站的频率越高,出错的几率越低,主站每 30ms 询一帧数据的时候基本不出错,但每 500ms 或 1000ms 询一次的时候,就会比较明显地出错。 2. 查找过程 由于硬件电路是之前使用过的,刚开始并没有考虑是电路的问题。首先是从软件开始查找的。由于能够正常的回复数据,只是偶尔出错,因此软件的整体流程应该是通的,只是某个代码的细节有问题,孔丙火(微信公众号:孔丙火)把代码整个重新捋了一遍,也没有发现明显的问题。 后来,开始逐步排查,先把 RS485 部分的电路短接掉,用 USB-TTL 转换器直接连接单片机的串口收发管脚,进行收发数据的测试,结果一切都正常,无论主站的询问数据周期是多少,都不会出错。于是开始怀疑跟 485 相关的代码。 搞过 485 电路的朋友都知道, 485 电路仅仅是实现一个电平转换,另外由于 485 是半双工,需要外加一个收发使能控制, 485 芯片 实现 TTL 电平与差分电平的转换。涉及到代码,就是多一个管脚,用来控制收发使能。虽然这一步没有测试出问题,但在反复试的过程中,倒是有一点意外收获,孔丙火(微信公众号:孔丙火)分享一下。使能 485 芯片的发送语句,必须在使能串口发送中断(发送为空中断)之前,否则通信是无法成功的。原因分析:发送为空中断在使能后,是立即进入中断的,使能 485 发送的代码无法执行,发送没有使能,但已开始发送数据,这种情况下,发送是肯定不会成功的。这个点给我了启发,是不是发送的时序有问题,导致发送失败呢? 于是开始分析 485 的收发电路,由于信号是隔离的,最有可能出现问题的地方是光耦,就从光耦开始查起。开始查阅 PC410 和 EL357NB 的数据手册,开始是担心光耦前后的限流电阻跟光耦的电流传输比是不是不匹配,导致光耦导通不充分,后经分析电路参数没有问题。然后开始分析光耦的时序,经过光耦隔离的信号肯定会延时,延时的不同步会不会导致问题呢?果然, PC410 和 EL357NB 的传输延时还是有差别的, PC410 的传输延时在几十 ns ,而 EL357NB 的传输延时在 1us 左右,程序代码做了如下修改:在使能 485 发送管脚后,延时一段时间后( 1us 左右,无需太精确),再使能串口的发送中断,经测试, TimeOut 的错误了。 3. 结论及分析 ( 1 )问题就出在光耦的信号传输延时上,在 485 电路的设计之初,单片机的串口收发脚采用高速光耦进行隔离,收发使能脚由于不需要频繁切换,采用一般光耦即可。正是由于这个设计,在使能 485 收发和使能发送中断同时执行的时候,在单片机的串口发送部分(从发送缓存区到硬件管脚,单片机内部完成,无需用户代码干预)处理比较快的时候,就会导致 485 还没有使能发送状态,单片机已开始向 485 芯片发送数据,就会导致发送出错, Modbus 主站软件( Modbus Poll )收到的是不完整的错误的帧,就是看到的 TimeOut 错误。但在单片机的串口发送部分处理的不那么快的时候,就不会出现这个错误,这是错误不定时出现的原因。 ( 2 ) 使能 485 发送管脚后的延时,不能采用 HAL_Delay() 函数, Freemodbus 协议栈的收发使能在 vMBPortSerialEnable() ,由于在调此函数之前已经禁掉了中断,而 HAL_Delay() 函数是基于系统时钟中断定时的,因此不能使用。由于此处不需要精确地定时,只要能满足两种光耦延时的时间差即可,可以使用空语句进行定时,大体算一下时间即可。孔丙火(微信公众号:孔丙火)的代码如图 2 所示。 图 2 ( 3 )在最初的问题中,为什么主站询的快的时候错误少,反而询的慢的时候错误多?这个问题没有完全思考清楚,但孔丙火(微信公众号:孔丙火)有一些心得。元器件都会有一些寄生电容,在电平转换的时候,可以认为电容要先进行充电或放电,因此会有一个斜坡,在主站询的快的时候,电平转换快,在电平改变的时候,电容在上一次的过程中还没有完全放电或充电完毕,这个时候进行反方向的改变需要的时候就会短,可以对冲两种光耦时间差的影响。不知道我这种说法大家是否可以理解,更深层次或者更确切的原因,也欢迎高手指点,或者大家行进讨论。 文章在公众号( 孔丙火 )同步推出,欢迎查看更多系列文章。 单片机、ARM、现场总线、PLC、嵌入式软硬件的设计经验分享,秉承“点点滴滴皆智慧”的理念,以实际项目为单元阐述知识点,一起分享,共同交流。
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    基于RS485总线的DSP网络控制系统设计
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    基于DSP和RS-485串行通信的控制系统设计
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