6.2 串口通信RS232/RS485
本节将介绍串口通信的原理和应用
学习目标
- 掌握RS232和RS485的特点与区别
- 理解串口通信参数配置方法
- 熟悉Modbus RTU协议结构
- 能够实现PLC的串口通信编程
一、RS232通信标准
1.1 RS232概述
RS232（Recommended Standard 232）是美国电子工业协会（EIA）制定的串行通信接口标准，广泛应用于计算机与外设之间的通信。
RS232特点：
- 单端信号传输（相对于地电平）
- 点对点通信（一对一）
- 全双工通信方式
- 传输距离：≤15米
- 传输速率：≤20Kbps
- 电压电平：±3V～±15V
1.2 RS232电气特性
信号电平定义：
┌────────────────────────────────────┐
│ 逻辑1（Mark） ：-3V ～ -15V │
│ 逻辑0（Space） ：+3V ～ +15V │
│ 无效区 ：-3V ～ +3V │
└────────────────────────────────────┘
电平波形示意：
+15V ┤ ┌──┐ ┌──┐
+3V ┤....│..│.....│..│.... 逻辑0
0V ┤────┴──┴─┬───┴──┴─┬──
-3V ┤.........│.........│... 逻辑1
-15V ┤ └─────────┘
0 1 0 1 01.3 RS232标准接口
DB9接口引脚定义：
| 引脚 | 信号 | 名称 | 方向(DTE) | 功能说明 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | DCD | 载波检测 | 输入 | 调制解调器检测到载波 |
| 2 | RXD | 接收数据 | 输入 | 接收数据线 |
| 3 | TXD | 发送数据 | 输出 | 发送数据线 |
| 4 | DTR | 数据终端就绪 | 输出 | 终端准备好 |
| 5 | GND | 信号地 | - | 公共参考地 |
| 6 | DSR | 数据设备就绪 | 输入 | 数据设备准备好 |
| 7 | RTS | 请求发送 | 输出 | 请求发送数据 |
| 8 | CTS | 清除发送 | 输入 | 允许发送数据 |
| 9 | RI | 振铃指示 | 输入 | 检测到振铃信号 |
DB9接口外形：
┌─────────────────┐
│ 1 2 3 4 5 │
│ 6 7 8 9 │
└─────────────────┘
(公头-DTE端)1.4 RS232连接方式
直连线（DCE-DTE连接）：
DTE(PC) DCE(设备)
TXD ─────────── RXD
RXD ─────────── TXD
GND ─────────── GND
RTS ─────────── CTS
CTS ─────────── RTS交叉线（DTE-DTE连接）：
DTE(PC1) DTE(PC2)
TXD ──────╲╱── TXD
RXD ──────╱╲── RXD
GND ─────────── GND二、RS485通信标准
2.1 RS485概述
RS485是为克服RS232的距离和多点通信限制而设计的工业通信标准，采用差分信号传输，具有更强的抗干扰能力。
RS485特点：
- 差分信号传输（平衡传输）
- 支持多点通信（最多32/128/256个节点）
- 半双工或全双工通信
- 传输距离：≤1200米
- 传输速率：≤10Mbps
- 电压电平：±1.5V～±6V（差分）
2.2 RS485电气特性
差分信号原理：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ A线（非反相端，Data+） │
│ B线（反相端，Data-） │
│ │
│ 逻辑1：A-B > +200mV │
│ 逻辑0：A-B < -200mV │
└─────────────────────────────────────────┘
差分信号波形：
A线 ┌──┐ ┌──┐ ┌──────┐
─────┘ └──┘ └──┘ └────
B线 ┌──┐ ┌──┐ ┌────
────────┘ └──┘ └──────┘
1 0 1 0 1 02.3 RS485网络拓扑
总线型拓扑结构：
主干总线（双绞线）
═══════╤═══════╤═══════╤═══════╤═══════
│ │ │ │
┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐
│设备1│ │设备2│ │设备3│ │设备4│
│#01 │ │#02 │ │#03 │ │#04 │
└─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘
[RT] [RT]
终端电阻 终端电阻
(120Ω) (120Ω)RS485接线方式：
| 接线方式 | 线数 | 说明 |
|---|---|---|
| 两线制 | 2 | A、B（半双工） |
| 四线制 | 4 | TX+、TX-、RX+、RX-（全双工） |
2.4 RS485布线规范
正确的RS485布线：
┌────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 使用屏蔽双绞线 │
│ 2. 总线两端加120Ω终端电阻 │
│ 3. 分支线长度≤3米 │
│ 4. 避免星型连接 │
│ 5. 屏蔽层单点接地 │
└────────────────────────────────────────────┘
终端电阻连接：
A ───┬──────────────────────┬─── A
│ │
[R] [R]
120Ω 120Ω
│ │
B ───┴──────────────────────┴─── B三、RS422通信标准
3.1 RS422特点
RS422是RS485的前身，采用差分传输，支持全双工通信。
| 特性 | RS422 |
|---|---|
| 传输方式 | 差分平衡 |
| 通信方式 | 全双工 |
| 网络结构 | 一主多从（最多10个） |
| 传输距离 | ≤1200米 |
| 传输速率 | ≤10Mbps |
3.2 RS422连接
RS422四线制连接：
主站 从站
TX+ ────────────────── RX+
TX- ────────────────── RX-
RX+ ────────────────── TX+
RX- ────────────────── TX-
GND ────────────────── GND四、三种标准对比
4.1 特性对比表
| 特性 | RS232 | RS422 | RS485 |
|---|---|---|---|
| 传输方式 | 单端 | 差分 | 差分 |
| 通信方式 | 全双工 | 全双工 | 半双工/全双工 |
| 最大节点数 | 2 | 10 | 32(标准)/256(扩展) |
| 最大距离 | 15m | 1200m | 1200m |
| 最高速率 | 20Kbps | 10Mbps | 10Mbps |
| 抗干扰能力 | 弱 | 强 | 强 |
| 典型应用 | PC通信 | 工业自动化 | 工业现场总线 |
4.2 应用场景选择
选择决策树：
┌──────────────┐
│ 通信距离>15m? │
└──────┬───────┘
是 / \ 否
/ \
┌──────────┐ ┌──────────┐
│需要多点？ │ │ RS232 │
└────┬─────┘ └──────────┘
是 / \ 否
/ \
┌────────┐ ┌────────┐
│ RS485 │ │ RS422 │
└────────┘ └────────┘五、串口通信参数配置
5.1 通信参数
进行串口通信时，必须正确配置以下参数，且通信双方参数必须一致：
| 参数 | 说明 | 常用值 |
|---|---|---|
| 波特率 | 数据传输速率 | 9600, 19200, 38400, 115200 |
| 数据位 | 每帧数据位数 | 7, 8 |
| 停止位 | 帧结束标志 | 1, 1.5, 2 |
| 校验位 | 数据校验方式 | None, Odd, Even |
5.2 数据帧格式
异步串行通信帧格式：
┌────┬─────────────────────┬────┬────┐
│起始│ 数据位(5-8位) │校验│停止│
│ 位 │ D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7│ 位 │ 位 │
└────┴─────────────────────┴────┴────┘
1位 8位 0/1位 1/2位
示例：发送字符'A'(0x41=01000001)
___ _ _ _____
空闲| |起始| | | | | | | |校|停|空闲
____| |____|_|_|_|_|_|_|_|验|止|____
0 1 0 0 0 0 0 1 0
(LSB优先发送)5.3 西门子S7-1200串口配置
硬件配置：
TIA Portal中配置CM1241串口模块：
1. 设备视图 → 添加CM1241模块
2. 属性 → 常规 → RS485接口
3. 配置参数：
- 波特率：9600
- 奇偶校验：无
- 数据位：8
- 停止位：1
- 流控制：无六、Modbus RTU协议
6.1 Modbus协议概述
Modbus是Modicon公司于1979年开发的工业通信协议，已成为工业领域事实上的通用标准。
Modbus协议类型：
| 类型 | 传输介质 | 数据格式 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 串口(RS232/485) | 二进制 | 效率高，应用广泛 |
| Modbus ASCII | 串口(RS232/485) | ASCII码 | 可读性好，效率低 |
| Modbus TCP | 以太网 | TCP/IP封装 | 速度快，现代化 |
6.2 Modbus RTU帧格式
Modbus RTU消息帧：
┌────────┬──────────┬────────────┬─────────┐
│地址域 │ 功能码 │ 数据域 │ CRC校验 │
│1字节 │ 1字节 │ N字节 │ 2字节 │
└────────┴──────────┴────────────┴─────────┘
| | | |
| | | └── CRC16校验（低字节在前）
| | └── 根据功能码而定
| └── 操作类型
└── 从站地址1-247（0为广播）
帧间隔：≥3.5个字符时间（无数据传输）6.3 常用功能码
| 功能码 | 功能名称 | 操作对象 | 操作类型 |
|---|---|---|---|
| 01 | 读线圈状态 | 线圈(DO) | 读取 |
| 02 | 读离散输入 | 离散输入(DI) | 读取 |
| 03 | 读保持寄存器 | 保持寄存器(AO) | 读取 |
| 04 | 读输入寄存器 | 输入寄存器(AI) | 读取 |
| 05 | 写单个线圈 | 线圈(DO) | 写入 |
| 06 | 写单个寄存器 | 保持寄存器(AO) | 写入 |
| 15 | 写多个线圈 | 线圈(DO) | 写入 |
| 16 | 写多个寄存器 | 保持寄存器(AO) | 写入 |
6.4 Modbus地址映射
Modbus寄存器地址规划：
┌──────────────────────────────────────────┐
│ 地址范围 │ 功能码 │ 数据类型 │
├──────────────────────────────────────────┤
│ 00001 - 09999 │ 01 │ 线圈(读写) │
│ 10001 - 19999 │ 02 │ 离散输入(只读)│
│ 30001 - 39999 │ 04 │ 输入寄存器 │
│ 40001 - 49999 │ 03/06 │ 保持寄存器 │
└──────────────────────────────────────────┘
注意：协议地址 = PLC地址 - 1（从0开始）
例：40001寄存器，协议地址为0x00006.5 读保持寄存器示例（功能码03）
主站请求帧：
读取从站01的保持寄存器40001-40002
请求帧：
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ 01 │ 03 │ 00 │ 00 │ 00 │ 02 │ C4 │ 0B │
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
| | | | | | └────┘
| | | | | | CRC校验
| | | | └────┘
| | | | 寄存器数量(2个)
| | └────┘
| | 起始地址(0x0000=40001)
| └── 功能码03(读保持寄存器)
└── 从站地址从站响应帧：
响应帧（假设寄存器值为1234和5678）：
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ 01 │ 03 │ 04 │ 04 │ D2 │ 16 │ 2E │ XX │ XX │
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
| | | | | | | └────┘
| | | | | | | CRC校验
| | | | | └────┘
| | | | | 数据2=0x162E=5678
| | | └────┘
| | | 数据1=0x04D2=1234
| | └── 字节数(4字节)
| └── 功能码03
└── 从站地址6.6 写单个寄存器示例（功能码06）
向从站01的寄存器40001写入值1000
请求帧：
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ 01 │ 06 │ 00 │ 00 │ 03 │ E8 │ C9 │ C4 │
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
| | | | └────┘ └────┘
| | | | 数据=0x03E8=1000 CRC
| | └────┘
| | 寄存器地址(0x0000)
| └── 功能码06
└── 从站地址
响应帧：（与请求帧相同，表示写入成功）6.7 CRC16校验计算
CRC16-Modbus计算方法：
多项式：0xA001（0x8005的反转）
初始值：0xFFFF
伪代码：
CRC = 0xFFFF
FOR each byte in message
CRC = CRC XOR byte
FOR i = 1 to 8
IF (CRC AND 0x0001) = 1
CRC = (CRC >> 1) XOR 0xA001
ELSE
CRC = CRC >> 1
END IF
NEXT i
NEXT byte
// CRC低字节在前，高字节在后七、西门子PLC串口通信编程
7.1 Modbus RTU主站编程
使用MB_MASTER指令：
// 读取从站保持寄存器
MB_MASTER_DB(
REQ := "Trigger", // 触发信号
MB_ADDR := 1, // 从站地址
MODE := 0, // 0=读,1=写
DATA_ADDR:= 40001, // 起始地址
DATA_LEN := 10, // 读取长度
DATA_PTR := P#DB10.DBX0.0 WORD 10, // 数据存储区
COM_RST := "Reset", // 复位
DONE => "ReadDone", // 完成标志
BUSY => "ReadBusy", // 忙标志
ERROR => "ReadError", // 错误标志
STATUS => "ReadStatus" // 状态码
);7.2 Modbus RTU从站编程
使用MB_SLAVE指令：
// 配置为Modbus从站
MB_SLAVE_DB(
MB_ADDR := 1, // 本站地址
MB_HOLD_REG := P#DB20.DBX0.0 WORD 100, // 保持寄存器区
NDR => "NewData", // 新数据接收标志
DR => "DataRead", // 数据被读取标志
ERROR => "SlaveError", // 错误标志
STATUS => "SlaveStatus" // 状态码
);7.3 通信状态处理
状态机编程模式：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 通信状态机 │
├─────────────────────────────────────────┤
│ State 0: 空闲 ──触发──→ State 1 │
│ State 1: 发送请求 ──完成──→ State 2 │
│ State 2: 等待响应 ──超时──→ State 3 │
│ ──正常──→ State 4 │
│ State 3: 错误处理 ──重试──→ State 1 │
│ ──放弃──→ State 0 │
│ State 4: 数据处理 ──完成──→ State 0 │
└─────────────────────────────────────────┘状态机代码示例：
// 通信状态机
CASE "CommState" OF
0: // 空闲状态
IF "StartComm" THEN
"CommState" := 1;
"Timeout_Timer".IN := FALSE;
END_IF;
1: // 发送请求
"MB_REQ" := TRUE;
IF "MB_DONE" THEN
"CommState" := 2;
"Timeout_Timer".IN := TRUE;
ELSIF "MB_ERROR" THEN
"CommState" := 3;
END_IF;
2: // 等待响应
"MB_REQ" := FALSE;
IF "Timeout_Timer".Q THEN
"CommState" := 3; // 超时
"RetryCount" := "RetryCount" + 1;
ELSIF "ResponseOK" THEN
"CommState" := 4;
"RetryCount" := 0;
END_IF;
3: // 错误处理
IF "RetryCount" >= 3 THEN
"CommState" := 0; // 放弃
"CommFault" := TRUE;
ELSE
"CommState" := 1; // 重试
END_IF;
4: // 数据处理
// 处理接收到的数据
"ProcessData"();
"CommState" := 0;
END_CASE;八、三菱PLC串口通信
8.1 FX系列串口通信
RS指令（串口发送）：
// RS指令格式
RS D0 K10 D100 K8 M0
参数说明：
- D0 : 发送数据首地址
- K10 : 发送字节数
- D100 : 接收数据首地址
- K8 : 接收字节数
- M0 : 完成标志8.2 通信参数设置
FX3U通信参数（D8120）：
┌─────────────────────────────────────┐
│ 位 │ 功能 │
├───────┼─────────────────────────────┤
│ b0-b3 │ 波特率选择 │
│ b4 │ 停止位(0=1位,1=2位) │
│ b5-b6 │ 校验(00=无,01=奇,10=偶) │
│ b7 │ 数据位(0=7位,1=8位) │
│ b8-b15│ 协议选择 │
└───────┴─────────────────────────────┘
波特率设置值：
0: 300 4: 4800 8: 38400
1: 600 5: 9600 9: 57600
2: 1200 6: 19200 A: 115200
3: 2400 7: 384008.3 Modbus通信示例
// FX3U Modbus RTU主站读取
// 读取从站地址1，寄存器40001，长度2
MOV K1 D0 // 从站地址
MOV H03 D1 // 功能码(03读寄存器)
MOV K0 D2 // 起始地址
MOV K2 D3 // 寄存器数量
ADPRW D0 K0 D100 // 执行Modbus通信
// D100-D101 存储读取的数据九、自由口通信
9.1 自由口通信概述
自由口通信允许PLC与非标准协议设备通信，用户可自定义通信协议格式。
应用场景：
- 连接条码扫描器
- 连接电子秤
- 连接智能仪表
- 自定义协议设备
9.2 西门子自由口编程
发送数据（Send_P2P）：
Send_P2P_DB(
REQ := "SendTrigger", // 发送触发
PORT := "Local~CM_1241", // 端口
BUFFER := P#DB1.DBX0.0 BYTE 20, // 发送缓冲区
LENGTH := 10, // 发送长度
DONE => "SendDone", // 发送完成
BUSY => "SendBusy", // 正在发送
ERROR => "SendError" // 发送错误
);接收数据（Receive_P2P）：
Receive_P2P_DB(
EN_R := TRUE, // 使能接收
PORT := "Local~CM_1241", // 端口
BUFFER := P#DB2.DBX0.0 BYTE 50, // 接收缓冲区
NDR => "NewDataRcvd", // 新数据标志
RCVD_LEN => "RcvdLength", // 接收长度
ERROR => "RcvError" // 接收错误
);9.3 协议解析示例
// 解析条码数据
// 格式：STX + 数据(20字节) + ETX + BCC
IF "NewDataRcvd" THEN
// 检查起始符(0x02)
IF "RcvBuffer"[0] = 16#02 THEN
// 检查结束符(0x03)
IF "RcvBuffer"[21] = 16#03 THEN
// 计算BCC校验
"CalcBCC" := 0;
FOR i := 1 TO 21 DO
"CalcBCC" := "CalcBCC" XOR "RcvBuffer"[i];
END_FOR;
// 校验正确则提取数据
IF "CalcBCC" = "RcvBuffer"[22] THEN
// 复制条码数据
FOR i := 0 TO 19 DO
"BarcodeData"[i] := "RcvBuffer"[i+1];
END_FOR;
"BarcodeValid" := TRUE;
END_IF;
END_IF;
END_IF;
END_IF;十、串口通信故障诊断
10.1 常见故障及解决方法
| 故障现象 | 可能原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 无法通信 | 接线错误 | 检查TXD/RXD交叉 |
| 参数不匹配 | 核对波特率等参数 | |
| 终端电阻 | RS485两端加120Ω | |
| 数据错误 | 干扰 | 使用屏蔽线，单点接地 |
| 波特率偏差 | 降低波特率 | |
| 通信断续 | 接触不良 | 检查接线端子 |
| 电缆过长 | 缩短距离或加中继 |
10.2 诊断工具使用
串口调试助手功能：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 1. 配置串口参数（COM口、波特率等） │
│ 2. 发送测试数据（HEX/ASCII） │
│ 3. 接收数据显示 │
│ 4. 分析通信协议 │
│ 5. 记录通信日志 │
└─────────────────────────────────────────┘
推荐工具：
- SSCOM（免费）
- Modbus Poll/Slave（Modbus专用）
- 串口猎人10.3 波形分析
使用示波器分析RS485波形：
正常波形： 异常波形（反射）：
┌──┐ ┌──┐ ┌─╲╱─┐ ┌─╲╱─┐
│ │ │ │ │ │ │ │
──┘ └──┘ └── ──┘ └──┘ └──
检查点：
1. 电平幅度是否正常
2. 波形是否有振铃
3. 上升/下降沿是否正常十一、实践练习
练习1：RS485网络设计
设计一个RS485通信网络，包含1个PLC主站和5个变频器从站。
要求：
- 绘制网络拓扑图
- 确定通信参数
- 分配从站地址
- 计算终端电阻位置
练习2：Modbus通信帧分析
分析以下Modbus RTU帧：
请求帧：01 03 00 10 00 04 C5 C3
响应帧：01 03 08 00 64 00 C8 01 2C 01 90 XX XX
问题：
1. 这是什么操作？
2. 请求了哪些寄存器？
3. 响应数据的值是多少？练习3：PLC串口通信程序
编写一个西门子S7-1200程序：
- 通过RS485读取温度变送器数据
- 变送器地址：1
- 温度寄存器：40001
- 每2秒读取一次
- 显示温度值（0.1℃分辨率）
本节小结
- RS232/RS485/RS422是工业常用的串口通信标准
- RS232适合短距离点对点通信
- RS485适合长距离多点通信，工业应用最广泛
- Modbus RTU是工业领域最通用的串口协议
- 通信参数配置必须双方一致
- RS485布线要注意终端电阻和屏蔽接地
思考题
- 为什么RS485比RS232传输距离更远？
- Modbus RTU功能码03和04有什么区别？
- RS485网络中为什么要加终端电阻？
- 如何提高串口通信的可靠性？
- 自由口通信与Modbus通信各有什么优缺点？
下一节预告：6.3 以太网通信 - 学习工业以太网和Modbus TCP协议