Jak funguje Modbus a RS-485

27.9.2021 20:50 | Přečteno: 12232× | Meteopress | | poslední úprava: 27.9.2021 20:50

Protokol Modbus tunelovaný přes RS-485 (též nazýváno Modbus-RTU) se často používá pro komunikaci s malými průmyslovými zařízeními. Pojďme se podívat, jak vypadá a jak implementovat komunikaci s takovým zařízením.

RS-485

RS-485 je sběrnice, která má následující parametry:

• Diferenciální po dvou drátech označených A a B. Nediferenciální sběrnice (třeba normální sériák) fungují tak, že když chceme poslat jedničku, připojíme na drát nějaké napětí, a když nulu, tak jiné napětí (typicky třeba 5V a 0V pro běžnou TTL logiku). Diferenciální dělají to, že na jeden drát připojí napětí, které chtějí vyslat, a na druhý to druhé (takže třeba jednička: na drátu A je 5V a na drátu B je 0V; nula: na drátu A je 0V a na drátu B je 5V). Výhoda je, že pokud se signál přenáší na větší vzdálenost a dojde k rušení, respektive nějakému plavání referenční úrovně, toto rušení nejspíš ovlivní oba dráty stejně, takže na druhou stranu přijde 8V a 3V, my to odečteme od sebe a zjistíme, že to byla jednička.

  Jinými slovy: na A je vyšší napětí než na B → jednička.

  

  Samozřejmě se používá transceiver - například MAX485 - s diferenciálním vstupem a výstupem, který tohle řeší, a s námi komunikuje pomocí TTL.

• Na sběrnici může být mnoho zařízení; v každém okamžiku nejvýše jedno vysílá a ostatní přijímají. Transceivery mají typicky drát, kterým se jim říká, jestli teď mají vysílat nebo přijímat. Není nijak zařízeno, jak udělat, aby se více vysílačů navzájem nepotlouklo - až protokol vyšší vrstvy určuje, kdo bude kdy vysílat. V typickém použití pro ovládání několika zařízení z počítače to funguje tak, že zařízení trvale přijímají, počítač odvysílá zprávu nějakému zařízení, pak přejde na příjem, a zařízení za krátký okamžik (milisekundy) odvysílá odpověď a přejde zpět na příjem. Po přijetí odpovědi začne vysílat počítač a pošle zprávu dalšímu zařízení.

  Pro systémy bez centrálního řízení (to dělá v našem případě ten počítač, který jednotlivá zařízení oslovuje) existují různá rozšíření, která dělají distribuovanou bus arbitration. Může to vypadat tak, že vysílače rozšíříme o možnost vysílat malým výkonem. Zařízení, které by chtělo vysílat, nejdřív malým výkonem broadcastuje požadavek, že chce vysílat, a detekuje, jestli ho někdo velkým výkonem nepřehlušil. Když ne, vyhodnotí, že je na lince volno, a odvysílá plným výkonem svoji zprávu.

  Tohle také mimochodem znamená, že i point-to-point spoj je halfduplexní a nejde skrz to třeba přímočaře tunelovat normální sériák.

• Sběrnice má být řetízek bez rozvětvení, kroucená dvojlinka, na které jsou pověšená jednotlivá zařízení, a konce řetízku mají být terminovány odporem 120Ω, aby nedocházelo k odrazům. V praxi se na všechno kašle, rozvětví se to, terminátory se tam nedají, a použije se nekroucená dvojlinka, a pro nízké rychlosti to normálně chodí.

Z praktického provozu dvě pozorování learned the hard way:

• Defaultně to není galvanicky oddělené, a pokud připojujete něco s rozdílem potenciálů víc než pár voltů, tak to shoří (propojoval jsem rozvaděč v budově s radarem na střeše, nemělo to stejné země a zakouřilo se mi z toho). Existují transceivery, které oddělené jsou, ale jsou drahé a vyžadují pro napájení té oddělené části externí galvanicky izolovaný zdroj, což je taky drahé. Osobně jsem se na tohle vykašlal a delší propoje jsem vyřešil nákupem routříků s OpenWRT a roztaháním ethernetu, který je oddělený trafíčky defaultně, a případný výstup na RS-485 dělám až na druhé straně. Cenově to vyjde podobně jako galvanicky oddělené RS-485 a nemusím řešit tunelování různých protokolů přes halfduplexní sběrnici, protože na druhé straně je normální Linux se SSH.

• Odbočka o tom, jak funguje sériák/UART, kdyby někdo nevěděl

  Sériák má defaultně na lince trvale jedničku. Když se má poslat bajt, tak se pošle nula = start bit, následně 8 bitů dat, a následně jednička = stop bit (existují i exotické konfigurace, kdy se ještě přenáší parita, bitů je jiný počet než 8, a stop bit je jinak dlouhý, ale nikdy jsem neviděl zařízení, které by je používalo; ta standardní konfigurace se označuje 8N1 = 8 bitů, no parity, 1 stopbit). Takhle to vypadá:

  

  Následující stavy jsou speciální:

  • Framing error: Na lince se objevila nula (takže se tím začal přijímat bajt), ale 9. přijatý bit není jednička, čili není validní stopbit.
  • Break condition: Na lince se drží nula déle než je doba trvání jednoho přenosu (tj. 10 bitů = start + 8bitů dat + stop), takže vlastně speciální případ framing error. Break condition se někdy používá pro signalizaci „teď všechno zahoď a vrať se do nějakého iniciálního stavu“ například při připojení nového zařízení, po resetu, pro zotavení z fatálních chyb atd.

  Konec odbočky

  Pokud je na drátu A i B stejné napětí, nachází se sběrnice v nedefinovaném stavu. To nemusí nutně vadit, ale pokud tunelujete třeba UART, je potřeba počítat s tím, že z přijímače můžou padat náhodná data, takže to bude přijímat náhodné bajty v náhodnou dobu. Pokud teď chce někdo vysílat, tak musí minimálně po dobu jednoho bajtu vysílat jedničku nebo break condition, aby se to celé dostalo do konzistentního stavu, a až pak může začít posílat data. No a to samozřejmě zařízení, se kterým jsem komunikoval, nedělalo (není to jeho povinnost), a dokonce tam ani nehodilo před prvním startbitem na chvilku jedničku, ale prostě rovnou začalo posílat startbit = nulu a pak data.

  Svízelné bylo, že zrovna MAX-485, se kterým jsem to testoval, se choval tak, že v tomto nedefinovaném stavu měl na výstupu jedničku, takže všechno fungovalo. Pak jsme si ale nechali osadit desky v Číně s nějakým klonem SP-485, a ten tohle nedělal, takže se to rozpadalo.

  No a tohle se správně řeší klidovým biasováním sběrnice tak, aby když nikdo nevysílá, tam byla jednička (tj. Ačko nahoru, Bčko dolu).

  

  Trochu problém je v tom, že bychom chtěli mít klidový bias tak 1 V, aby to bylo spolehlivé proti náhodnému rušení. Jenže aby byl na sběrnici terminované na obou koncích 120Ω odpory 1 V, musí tam téct 17 mA, a to je u low-power zařízení nepříjemně mnoho. A proto osobně na terminační odpory kašlu .

  Mimochodem debugování problému a správnému nastavení biasu vůbec nepomohlo, že existují dva názory na to, co je jednička (jestli je to „A je větší napětí“ jak jsem psal výše, nebo naopak)! To je způsobené tím, že se na RS-485 přecházelo z RS-232, které jedničku signalizuje záporným napětím a nulu kladným, takže je to jakoby opačně, ale moderní TTL transceivery to mají samozřejmě tak jak by člověk čekal. OMFG!

Modbus

Modbus je protokol, který definuje, že každé zařízení má svoji adresu (jeden bajt) a různé množství (až 4*64K) 16bitových registrů. Registry můžou být buď read-only (tomu říkají input register), například u teploměru to bude naměřená teplota, nebo read-write (holding register), například u motoru to bude nastavení jak rychle se má točit. Pak mají ještě coils a discrete inputs, což jsou jakoby relátka (jednobitové registry), ale efektivně jsou to prostě registry.

Velká nevýhoda je pevná velikost registru 16 bitů, větší 32b hodnoty tak jsou typicky rozděleny do dvou registrů "LO" a "HI". Všechny věci jsou big-endian, a je mrzuté, když výrobce dá LO registr níž než HI, protože to pak nejde concatenovat a dostat big endian číslo, ale musí se to prohodit.

Modbus má definováno, jak zprávy posílat přes různá rozhraní - například přes TCP nebo přes sériák přes RS-485 - a to je to, co potkávám nejčastěji, a proč píšu tento článek.

Modbus přes RS-485 posílá krátké zprávy, které vypadají takto:

0x01       # adresa zařízení
0x04       # příkaz. 4 = přečíst input registry
0x33 0x12  # první registr, který chceme přečíst - 13075. registr
0x00 0x02  # kolik registrů chceme přečíst - 2. Zařízení má limit kolik dat najednou může poslat, bývají to desítky registrů.
0xDE 0x8A  # CRC

Jako fakt blbý je, že registry jsou někdy číslované od jedničky, ale adresy jsou číslované od nuly. Takže například registr 6 má adresu 0x0005.

Odpověď pak vypadá:

0x01        # adresa zařízení
0x04        # příkaz; kdyby došlo k chybě, tak to bude zORované s 0x80
0x04        # kolik bajtů bude následovat. 2 16bit registry = 4 bajty
0x01 0x01   # data - 1. čtený registr
0x00 0x00   # data - 2. čtený registr
AB B8       # CRC

Zprávy jsou chráněny CRC-16, které se spočítá takto:

def modcrc(buf):
  crc = 0xFFFF;
  for pos in range(len(buf)):
    crc ^= buf[pos]
    for i in range(7,-1,-1):
      if ((crc & 0x0001) != 0):
        crc >>= 1
        crc ^= 0xA001
      else:
        crc >>= 1
  return (crc>>8) | ((crc&0xff)<<8)

assert(modcrc([0x01, 0x04, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01]) == 0x31CA)

Standardní rychlost je 19200, ale viděl jsem i zařízení co má 115200 a někdy to jde nastavit.

Jak to tedy celé zapojit

Pokud chcete komunikovat Modbus-RTU, tak si pořiďte tenhle modul s MAX485. Pokud to dáváte na vlastní desku, tak tam MAX485 snadno dáte (nepotřebuje to žádné externí součástky), případně se podívejte na variantu MAX3485, která má 3.3V logiku. Ten modul z GME si ale pořiďte i pokud děláte vlastní desku, protože ho budete používat pro sniffování sběrnice až vám to nebude fungovat.

Následně se zapojí DI na TX (data input modulu) vašeho UARTu, RO na RX (receiver output) a řídící piny DE (driver enable) a #RE (#receiver enable)^{křížky u signálů znamenají active low (invertovaná logika)} můžete spojit pokud nechcete používat power save (to by se dělalo tak, že dáte 1 na #RE a 0 na DE). Následně se to používá tak, že:

• Nastavíte řídící piny na 1 a chvilku počkáte.
• Odvysíláte zprávu. Pozor, že je potřeba ji opravdu odvysílat. V mnoha zařízeních když zavoláte write na sériák, tak se to jenom vloží do fronty a write hned vrátí a vysílání ještě běží. Potřebujete třeba udělat flush.
• Chvilku počkáte. Je potřeba čekat nepatrně (aby doběhly stopbity a tak), možná vlastně ani ne, a určitě kratší dobu, než za jakou zařízení začne odpovídat (to jde taky někdy nastavit). Tady je samozřejmě otázka, jak tohle udělat třeba na ne-realtime Linuxu. Já jsem to dělal na Raspberry ve skriptu v Pythonu a fungovalo to v pohodě.
• Nastavíte řídící piny na 0.
• Přečtete si odpověď od zařízení.

Na Arduinu mi to fungovalo s bitbangovaným SoftSerial (protože menší AtMegy nemívají více sériáků), pouze pro rychlost 115200 jsem musel zakomentovat čekání na stop bit, protože další bajt přišel moc rychle a nestíhalo se to. (nechápu proč tam to čekání na stop bit je, když se stejně nekontroluje)

       

Komentáře

[Max]

Poprvé jsem se s Modbus setkal asi na MaR systému (Měření a Regulace), kterým se řeší automatizace budovy (topení, klima, větrání, teplotní křivky, monitoring CO2, kotlů, bojlerů, tlaku, rekuperace, vypalování legionelly atd. atd. atd.).
Ale protokol jako takový jsem nikdy nestudoval, takto nízkoúrovňové věci jdou mimo mě.
Zdar Max

[Bluebear]

Skvělý článek - konečně jsem pochopil pár věcí, které mi nebyly jasné už od prváku. Díky moc!

[_]

Vlákno bylo přesunuto do samostatné diskuse.

[_]

Nekomentuj si vlastni prispevky.

[Gluebar]

Nechci být zbytečně nějaký nepříjemný, ale jdi do kšá. Jenda je odlišná osoba, což by šlo zjistit velmi jednoduchým zagooglením.

[_]

no

[~]

yes

[trekker.dk]

Osobně jsem se na tohle vykašlal a delší propoje jsem vyřešil nákupem routříků s OpenWRT a roztaháním ethernetu, který je oddělený trafíčky defaultně, a případný výstup na RS-485 dělám až na druhé straně. Cenově to vyjde podobně

Určitě bude záležet na tom, kolik kusů toho děláte (tj. kdy úspora na těch routerech zaplatí práci), ale když mluvíte o těch trafíčkách, tak mě napadá FSK modulace - digitální signál přes ta trafíčka neproleze, ale sinusovka by měla.

Akorát mě teď nenapadá, jak řešit ten bias do klidového stavu

V mnoha zařízeních když zavoláte write na sériák, tak se to jenom vloží do fronty a write hned vrátí a vysílání ještě běží. Potřebujete třeba udělat flush.

Nedávno jsem zrovna psal něco, co komunikovalo po sériáku, v Ruby. Dopracoval jsem se k tomu, že při odvysílání zprávy se vypočítá čas, kdy je odeslání hotové, a podle toho se pak posílá dál. Oproti MCU, které udělá interrupt, když má volno v 1B velkém bufferu, docela pakárna. Na druhou stranu je to na straně PC a v Ruby, takže tam si můžu dělat a ladit, co chci.

Teda skoro. Narazil jsem na to, že se mezi zařízeními "náhodně" rozpadá časování, takže mi to přecházelo do chybového stavu (timeouty, nesedlo pořadí zpráv a tak) a přestalo se to dít, když jsem vypnul ladící výstupy na terminál. Počítač (nebo Ruby) prostě nestíhal komunikovat po sériáku a zároveň kreslit do konzole hromadu textu.

[ehmmm]

RS485 je z doby, kdy ethernet nebyl tak bezny, presneji receno proste nebyl. Proste se natahly dva draty pres nekolik (desitek) stanic na delku nekolika (stovek) metru, i kratsi odbocky se delaly, na zacatku a na konci se zapnuly odpory a nejakou rychlosti 9600 baudu to vzdycky jelo. Pro debugovani to chtelo mit galvanicky oddeleny osciloskop nebo moznost triggerovat na rozdil kanalu A-B, ale obvykle stacilo pouze zmerit napeti A-B v klidu. Pokud jste meli nejake normalni komponenty, tak to proste fungovalo.

Na Modbusu je nejslozitejsi ten kontrolni soucet. Jinak to je trivialita. Spravne autor upozornuje na chytak, ze nekdo cisluje od jednicky, nekdo od nuly a nekdy jeste zalezi, jakou funkci pouzivate (cteni registru vs. civek...).

Na co jsem narazil tohle leto, je to, ze existuje Modbus ASCII, Modbus RTU, Modbus TCP a kdyz uz nejake zarizeni umi Modbus TCP, tak obvykle umi i Modbus UDP, coz ma oproti TCP vyrazne nizsi rezii (timeouty a preposlani si vyresim sam). Jenze jeden vyrobce s novou verzi sveho produktu to UDP jaksi nenaprogramoval. Musim tedka jak sulin otevirat a zavirat TCP spojeni, pri stovce zarizeni v jedne siti to je velka spousta paketu navic.

[Miriam]

Ty jsi hustej týpek Jendo, respekt!

[billgates]

Příloha:

• 485.png (124954 bytů)

Ak treba riesit RS-485 po vonku alebo v budove cez vela poschodi, tak musim len odporucit tento interface ADM2865E. Ma 5.7 kV rms izolaciu na datach aj VCC+VSS. Spolu s ochranami je to prakticky neznicitelne. Pouzivame to takto uz isty cas a prezilo to aj priamy uder blesku do jedneho nodu (solarna elektraren) a vsetky ostatne nody dalej fungovali. Pravda, je o trochu drahsi ako bezne interfacy bez izolacie. Su dostupne varianty pre 500kbps a 25Mbps a taktiez full a half duplex.

Poznamka k obrazku - ide o 3.3V komunikaciu, ale modul podporuje aj 5V na 485. Dalsia vyhoda je, ze IO na casti k procesoru je nezavysla na VCC, takze sa da pripojit napriklad 1.8V IO MCU k 5V RS-485 sieti bez dalsieho menica urovne.

[Rozelak]

Zdravím, máme kotel Tronic Heat od Bosche s externím modulem ekvitermní regulace. Kotel teď hlásí chybu komunikace s tímto externím modulem, tak jsem to otevřel a zjistil jsem, že spolu komunikují přes RS-485 rozhraní. Čili mě napadlo, že by to mohlo jet přes modbus.

Zkoušel jsem tedy zachytávat komunikaci modbus snifferem s použitím RS485-USB převodníku (https://www.gme.cz/modul-prevodniku-usb-rs-485), ale lezou z toho nesmysly - neplatné zprávy, chyba CRC, atd. Nicméně to vypadá, že se tam opakují určité vzory.

Nemáte náhodou někdo tip, čím by to mohlo být? Přijde mi, že kdyby se modul rozbil, tak buď nevysílá nic nebo vysílá třeba jen šum, a z toho by nějaká posloupnost Bytů sestavit nešla. Nejspíš tam ale nějaká chyba bude, když ji kotel hlásí. Já jsem ale s rozumem v koncích ...

Díky, R.

[frr]

S křížkem po funuse, tak aspoň do záznamu: debugovat analogové chyby v RS485 prakticky nelze bez dvoukanálového osciloskopu Poté, co vyřešíte společnou referenční zem, terminaci, upadlé dráty a případně nahnilé/postřelené transceivery, takže obdélník je znovu obdélníkem, začnou chodit správně data - a teprve v tu chvíli má smysl řešit odposlech UARTem...

Jo a jestli ten TRONIC je toto tak je to zřejmě fakt Modbus/RTU.