工業物聯網通信開發中，485 總線搭配 Modbus 協議的方案應用廣泛。今天來和大家分享下，Air780EHV通信SoC模組，使用485總線通信的硬件設計要點，以及LuatOS下Modbus協議的實操應用。

一、485總線接口與UART的關系

485總線接口本質上是UART總線接口的一種應用，需要搭配485收發器芯片實現。

二、電平匹配問題

在UART與485收發器芯片的搭配中，最常見需要注意的一個問題是電平匹配。

由于上一章節參考設計中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換電路或電平轉換芯片。

當雙方電平不一致時，則需要分立元器件電平轉換電路或電平轉換芯片。

常見的分立元器件電平轉換電路如下：

Air780EHV 系列模組的相關參數說明如下：

該模組適配 320*480 LCD 屏、30 萬像素攝像頭，具備 CAN、RJ45 以太網、485、USB、UART、SPI、I2C、PWM、GPIO 等豐富接口。

網絡支持 TCP/UDP、MQTT、HTTP、NTP、Modbus 等多種協議，集成 4G 與音頻模塊，可實現語音通話、錄音播放及 TTS 功能。

工業通信中非常經典的485總線，硬件設計中需要注意的細節，Modbus協議在LuatOS開發中的應用，詳見下文。

三、485總線接口的TVS防護

工業現場環境復雜，485總線經常面臨靜電、浪涌等威脅，因此接口保護必不可少。

485接口用TVS，可以根據防護等級要求去選擇：

• ESD等級防護：適用于一般靜電防護場景。
• TVS等級防護：具備2KV 1.2/50uS浪涌能力。
• TSS等級防護：具備4KV 10/700uS浪涌能力。

四、Modbus通信協議

與485總線接口相關的通信協議是Modbus。LuatOS的modbus核心庫，但使用難度較高。而exmodbus擴展庫——在核心庫的基礎上封裝了更簡潔易用的API，降低開發難度，易于開發者集成Modbus通信。

exmodbus最新API文檔詳見資料中心

核心示例持續更新中！

PROJECT = "RTU_MASTER"
VERSION = "001.000.000"

-- 在日志中打印項目名和項目版本號
log.info("main", PROJECT, VERSION)

local exmodbus = require("exmodbus")

-- 使用 Air8000 開發板測試打開這兩個
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）

-- 創建 RTU 主站配置參數；
-- 說明：創建 RTU 主站時只需要配置如下參數即可；
local create_config = {
-- 串口配置參數；
mode = exmodbus.RTU_MASTER,      -- 通信模式
uart_id = 1,                     -- UART 端口號
baud_rate = 115200,              -- 波特率
data_bits = 8,                   -- 數據位
stop_bits = 1,                   -- 停止位
parity_bits = uart.None,         -- 校驗位
byte_order = uart.LSB,           -- 字節順序
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 數據結構
-- 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, -- 寄存器數量
0xC4, 0x0B  -- CRC16校驗碼
),
timeout = 1000  -- 超時時間 1000 ms
}

-- 創建 RTU 主站實例
local rtu_master = exmodbus.create(create_config)

-- 判斷主站是否創建成功并記錄日志
if not rtu_master then
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 創建失敗")
else
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 創建成功")
end

-- 讀取從站 1 保持寄存器數據的函數
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")

-- 執行讀取操作
local read_result = rtu_master:read(read_config)

-- 根據返回狀態處理結果
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 標準響應格式的應答原始幀來解析的
-- 在實際項目中，應根據自己項目中的實際應答原始幀格式進行解析
-- 如果實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（1 地址 + 1 功能碼 + 1 字節數 + 4 數據 + 2 CRC）
if #resp ~= 9 then
log.info("exmodbus_test", "響應長度錯誤，期望 9 字節，實際:", #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，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. 檢查字節數字段（應為 4）
local byte_count = string.byte(resp, 3)
if byte_count ~= 4 then
log.info("exmodbus_test", "字節數字段錯誤，期望 4，實際:", byte_count)
return
end

-- 5. 校驗CRC
-- 計算前 7 字節的 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 校驗錯誤，計算值:", crc_calculated, "，接收值:", crc_received)
return
end

-- 6. 解析寄存器數據（從第 4 字節開始，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. 記錄數據
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 數值為", slave1_data[0], "，寄存器 1 數值為", slave1_data[1])

elseif read_result.status == exmodbus.STATUS_TIMEOUT then
log.info("exmodbus_test", "未收到從站 1 的響應（超時）")
end

end

-- 定時任務函數：每 2 秒調用一次讀取函數
local function task()
while true do
if rtu_master then
-- 每 2 秒調用一次讀取函數
read_slave1_holding_registers()
else
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 未創建，無法執行 read_slave1_holding_registers()")
end
sys.wait(2000)
end
end

-- 初始化任務
sys.taskInit(task)

-- 用戶代碼已結束---------------------------------------------
-- 結尾總是這一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何語句!!!!

今天的分享就到這里啦~

審核編輯 黃宇