485 总线硬件设计：电平匹配、TVS 防护与 Modbus 库应用

工业物联网通信开发中，485 总线搭配 Modbus 协议的方案应用广泛。今天来和大家分享下，Air780EHV通信SoC模组，使用485总线通信的硬件设计要点，以及LuatOS下Modbus协议的实操应用。

一、485总线接口与UART的关系

485总线接口本质上是UART总线接口的一种应用，需要搭配485收发器芯片实现。

二、电平匹配问题

在UART与485收发器芯片的搭配中，最常见需要注意的一个问题是电平匹配。

由于上一章节参考设计中Air780EHV和SP3485都是3.3V的IO电平，所以不再需要分立元器件电平转换电路或电平转换芯片。

当双方电平不一致时，则需要分立元器件电平转换电路或电平转换芯片。

常见的分立元器件电平转换电路如下：

Air780EHV 系列模组的相关参数说明如下：

该模组适配 320*480 LCD 屏、30 万像素摄像头，具备 CAN、RJ45 以太网、485、USB、UART、SPI、I2C、PWM、GPIO 等丰富接口。

网络支持 TCP/UDP、MQTT、HTTP、NTP、Modbus 等多种协议，集成 4G 与音频模块，可实现语音通话、录音播放及 TTS 功能。

工业通信中非常经典的485总线，硬件设计中需要注意的细节，Modbus协议在LuatOS开发中的应用，详见下文。

三、485总线接口的TVS防护

工业现场环境复杂，485总线经常面临静电、浪涌等威胁，因此接口保护必不可少。

485接口用TVS，可以根据防护等级要求去选择：

• ESD等级防护：适用于一般静电防护场景。
• TVS等级防护：具备2KV 1.2/50uS浪涌能力。
• TSS等级防护：具备4KV 10/700uS浪涌能力。

四、Modbus通信协议

与485总线接口相关的通信协议是Modbus。LuatOS的modbus核心库，但使用难度较高。而exmodbus扩展库——在核心库的基础上封装了更简洁易用的API，降低开发难度，易于开发者集成Modbus通信。

exmodbus最新API文档详见资料中心

核心示例持续更新中！

PROJECT = "RTU_MASTER"
VERSION = "001.000.000"

-- 在日志中打印项目名和项目版本号
log.info("main", PROJECT, VERSION)

local exmodbus = require("exmodbus")

-- 使用 Air8000 开发板测试打开这两个
gpio.setup(16, 1)         -- RS485 芯片供电引脚
local rs485_dir_gpio = 17 -- RS485 方向引脚

-- 使用 Air780EPM 开发板测试打开这三个；
-- gpio.setup(1, 1)          -- Air780EPM RS485 芯片供电引脚
-- gpio.setup(23, 1)         -- Air780EPM vref 脚拉高
-- local rs485_dir_gpio = 24 -- Air780EPM RS485 方向引脚（V1.2 是 25，V1.3 是 24）

-- 创建 RTU 主站配置参数；
-- 说明：创建 RTU 主站时只需要配置如下参数即可；
local create_config = {
-- 串口配置参数；
mode = exmodbus.RTU_MASTER,      -- 通信模式
uart_id = 1,                     -- UART 端口号
baud_rate = 115200,              -- 波特率
data_bits = 8,                   -- 数据位
stop_bits = 1,                   -- 停止位
parity_bits = uart.None,         -- 校验位
byte_order = uart.LSB,           -- 字节顺序
rs485_dir_gpio = rs485_dir_gpio, -- RS485 方向引脚
rs485_dir_rx_level = 0,          -- RS485 接收方向电平
}

-- 初始化从站 1 数据结构
-- 用于记录从站 1 保持寄存器 0-1 的值；
local slave1_data = {}

-- 配置读取从站 1 保持寄存器 0-1 的值；
local read_config = {
raw_request = string.char(
0x01,       -- 从站地址
0x03,       -- 功能码：读取保持寄存器
0x00, 0x00, -- 寄存器起始地址
0x00, 0x02, -- 寄存器数量
0xC4, 0x0B  -- CRC16校验码
),
timeout = 1000  -- 超时时间 1000 ms
}

-- 创建 RTU 主站实例
local rtu_master = exmodbus.create(create_config)

-- 判断主站是否创建成功并记录日志
if not rtu_master then
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 创建失败")
else
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 创建成功")
end

-- 读取从站 1 保持寄存器数据的函数
local function read_slave1_holding_registers()
log.info("exmodbus_test", "开始读取从站 1 保持寄存器 0-1 的值")

-- 执行读取操作
local read_result = rtu_master:read(read_config)

-- 根据返回状态处理结果
if read_result.status == exmodbus.STATUS_SUCCESS then
local resp = read_result.raw_response

-- 特别说明：
-- 接下来的判断是针对 modbus RTU 标准响应格式的应答原始帧来解析的
-- 在实际项目中，应根据自己项目中的实际应答原始帧格式进行解析
-- 如果实际格式与此处演示的格式不一致，需要修改接下来的解析代码

-- 1. 检查总长度：必须为 9 字节（1 地址 + 1 功能码 + 1 字节数 + 4 数据 + 2 CRC）
if #resp ~= 9 then
log.info("exmodbus_test", "响应长度错误，期望 9 字节，实际:", #resp)
return
end

-- 2. 检查从站地址
if string.byte(resp, 1) ~= 0x01 then
log.info("exmodbus_test", "从站地址不匹配，收到:", string.byte(resp, 1))
return
end

-- 3. 检查功能码
local func_code = string.byte(resp, 2)
if func_code == 0x83 then
local exc_code = string.byte(resp, 3)
log.info("exmodbus_test", "从站返回异常响应，异常码:", exc_code)
return
elseif func_code ~= 0x03 then
log.info("exmodbus_test", "功能码错误，收到:", func_code)
return
end

-- 4. 检查字节数字段（应为 4）
local byte_count = string.byte(resp, 3)
if byte_count ~= 4 then
log.info("exmodbus_test", "字节数字段错误，期望 4，实际:", byte_count)
return
end

-- 5. 校验CRC
-- 计算前 7 字节的 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)
-- 比较 CRC
if crc_calculated ~= crc_received then
log.info("exmodbus_test", "CRC 校验错误，计算值:", crc_calculated, "，接收值:", crc_received)
return
end

-- 6. 解析寄存器数据（从第 4 字节开始，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. 记录数据
slave1_data[0] = data1
slave1_data[1] = data2

-- 8. 记录日志
log.info("exmodbus_test", "成功读取到从站 1 保持寄存器 0-1 的值，寄存器 0 数值为", slave1_data[0], "，寄存器 1 数值为", slave1_data[1])

elseif read_result.status == exmodbus.STATUS_TIMEOUT then
log.info("exmodbus_test", "未收到从站 1 的响应（超时）")
end

end

-- 定时任务函数：每 2 秒调用一次读取函数
local function task()
while true do
if rtu_master then
-- 每 2 秒调用一次读取函数
read_slave1_holding_registers()
else
log.info("exmodbus_test", "rtu_master 未创建，无法执行 read_slave1_holding_registers()")
end
sys.wait(2000)
end
end

-- 初始化任务
sys.taskInit(task)

-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!

今天的分享就到这里啦~

审核编辑 黄宇