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pedrohdea/ModbusRTU

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Barramentos Industriais

IFRS – Campus Farroupilha
Engenharia de Controle e Automação
Professor Gustavo Künzel Aluno Pedro Henrique de Assumpção

Projeto 01 – Dispositivo Modbus RTU EIA-485

Utilizar conceitos de Modbus RTU e comunicação serial UART para desenvolver uma aplicação compatível com o protocolo Modbus RTU.
O objetivo é compreender como deve ser feita a programação do protocolo nos dispositivos.
Nas I/Os do Arduino serão conectados potenciômetros e LEDs, de acordo com a aplicação.

Material necessário

  • Microcontrolador com porta Serial (Arduino Uno, Mega, NodeMCU, ESP32);
  • Componentes diversos para os I/Os;
  • Módulo conversor UART – EIA-485;
  • Módulo conversor USB – EIA-485;
  • PC, DEV-C++, IDE, bibliotecas para envio e recebimento de comunicação serial;
  • Códigos desenvolvidos em outras disciplinas e atividades.

Projetos e sugestões

  • Trabalho individual, não podendo haver dois trabalhos similares.

Projetos com montagem física (Requisito 1)

  • Módulo de saídas digitais (8 a 16 saídas):

    • Representadas por LEDs;
    • Programa do PC deve permitir acionamento de uma ou mais saídas no mesmo comando;
    • Função Modbus: 0x0F Write Multiple Coils.

  • Módulo de entradas digitais (8 a 16 entradas):

    • Representadas por chaves ou DIP switches;
    • Programa do PC deve permitir leitura de uma ou mais entradas;
    • Função Modbus: 0x02 Read Discrete Inputs.

  • Módulo de entradas analógicas (4 a 8 entradas):

    • Representadas por potenciômetros;
    • Programa do PC deve permitir leitura de uma ou mais entradas;
    • Função Modbus: 0x04 Read Input Registers.

  • Módulo de saídas analógicas (4 a 8 saídas PWM):

    • Representadas por LEDs;
    • Programa do PC deve permitir mudança do duty cycle de uma ou mais saídas;
    • Função Modbus: 0x10 Write Multiple Registers.

Projetos sem montagem física (troca de Requisito 1 para mais uma função implementada)

  • Controle de Temperatura de Estufa com DHT-11:

    • Programa do PC deve alterar o setpoint e o modo (manual/automático);
    • Funções Modbus: 0x05 Write Single Coil + 0x10 Write Multiple Registers;
    • Código base: Bancada Estufa Arduino.

  • Controle de Velocidade de Motor DC:

    • Programa do PC deve alterar o setpoint de velocidade e modo (manual/automático);
    • Funções Modbus: 0x05 Write Single Coil + 0x06 Write Single Register;
    • Código base: Bancada Motor DC com Encoder.

  • Balança com célula de carga e módulo HX711:

    • Leitura do peso atual e setar tara;
    • Funções Modbus:
      • 0x03 Read Multiple Coils (ler peso);
      • 0x06 Write Single Register (setar tara);
    • Código base: Bancada Balança HX711.

  • Outros projetos:

    • Permitidos desde que incluam um comando complexo (0x0F, 0x10, 0x04, 0x02, 0x03) e um comando simples (0x05, 0x06).

Requisitos para o Servidor / Escravo (Arduino, ESP ou outro microcontrolador)

1. Montagem física

  • Desenhar esquema elétrico em ferramenta gráfica;
  • Montagem em protoboard;
  • Implementar usando a serial USB (RS485 opcional inicialmente);
  • Duas chaves para ajuste de endereço (1 a 4).

2. Funcionamento Modbus RTU

  • Aceitar comandos apenas para o endereço configurado ou broadcast;
  • Implementar funções conforme a especificação Modbus;
  • Atualizar entradas/saídas conforme requisição;
  • Responder adequadamente às requisições e exceções (função inválida, registrador inválido, dado inválido);
  • Implementar verificação e cálculo de CRC.

Requisitos para o Cliente / Mestre (PC com projeto no DEV-C++)

3. Funcionamento do Programa Mestre

  • Ter menu de opções para interação com o escravo;

  • Validar funções implementadas (ler entradas/escrever saídas);

  • Testar e exibir validade do CRC nos quadros recebidos;

  • Identificar e exibir erros:

    • Timeout: sem resposta do escravo;
    • Exceções: função inválida, registrador inválido, dado inválido;
    • CRC inválido.

  • Observação: Pode-se utilizar Modbus Poll ou Modbus Simulator para testar compatibilidade.

4. Entrega e Apresentação

  • Data da apresentação: 06/05/2025
  • Nota: 7 pontos de N1
  • Apresentação:
    • Aproximadamente 15 minutos + 5-10 minutos para comentários;
    • Apresentação do projeto no TinkerCAD;
    • Explicação da função implementada (quadro RTU e bytes/campos);
    • Explicação de escolhas de projeto;
    • Apresentação das seções principais do código (escravo e mestre);
    • Enviar ZIP no Moodle contendo:
      • Código do mestre;
      • Código do escravo;
      • PDF da apresentação.

Tabela de Requisitos

Req 1 Req 2 Req 3 Req 4 Nota
1 3 2 1 7

APRESENTAÇÃO

Curso: Engenharia de Controle e Automação
Instituição: IFRS – Campus Farroupilha
Disciplina: Barramentos Industriais
Aluno: Pedro Henrique de Assumpção
Professor: Gustavo Künzel
Data: 06/05/2025

Índice

  • Introdução
  • Objetivos
  • Justificativa
  • Fundamentação Teórica
  • Proposta
  • Testes
  • Desafios
  • Referências

Introdução

Utilizar conceitos de Modbus RTU e comunicação serial UART para desenvolver uma aplicação compatível com o protocolo Modbus RTU.
O objetivo é compreender como deve ser feita a programação do protocolo nos dispositivos.
Nas I/Os do Arduino serão conectados potenciômetros e LEDs, de acordo com a aplicação.

Objetivos

  • Módulo de saídas digitais (8 a 16 saídas);
  • Representadas por LEDs;
  • Programa do PC deve permitir acionamento de uma ou mais saídas no mesmo comando;
  • Função Modbus: 0x0F Write Multiple Coils.

Justificativa

Desenvolver um sistema que permita o controle de uma matriz de 64 LEDs via protocolo Modbus RTU utilizando Arduino.
Além disso, busca-se compreender a implementação prática do protocolo e sua aplicabilidade em sistemas embarcados.

Fundamentação Teórica

Protocolo Modbus RTU

Modbus RTU é um protocolo de comunicação serial mestre-escravo que utiliza RS-485 para transmissão de dados.
Ele permite a comunicação entre dispositivos de forma eficiente e é padrão em sistemas industriais.

Comunicação Serial e RS-485

A comunicação serial RS-485 permite a transmissão de dados em longas distâncias com alta imunidade a ruídos.
É ideal para aplicações industriais e é compatível com o protocolo Modbus RTU.

Write Multiple Coils (0x0F)

[Slide reservado para estrutura da função 0x0F]

Proposta

Componentes do Sistema

  • Arduino Uno
  • Módulo RS-485 (MAX485)
  • Matriz de LEDs 8x8
  • Comunicação via serial com protocolo Modbus RTU

Matriz de LEDs

A matriz 8x8 possui 64 LEDs dispostos em linhas e colunas.
É controlada por registros que determinam quais LEDs devem ser acesos, permitindo diversos padrões visuais.

Fluxograma explicado

A seguir está descrito o passo-a-passo detalhado da comunicação entre o software Mestre e o dispositivo Escravo, usando o protocolo Modbus RTU para acionar uma matriz de LEDs:

  1. Usuário abre o programa MESTRE
    O software escrito em C é executado no terminal Linux. Ele simula o papel de mestre Modbus RTU.

  2. Navega no menu do terminal
    O menu exibe opções interativas. O usuário pode selecionar funções específicas, como enviar comandos ou testar comunicação.

  3. Seleciona a opção 1
    Escolha do comando para envio de um novo padrão de LEDs (função Modbus 0x0F - Write Multiple Coils).

  4. Informa a posição de xadrez desejada (ex: D4)
    A entrada do usuário é convertida para um padrão de 16 bits, refletindo o estado desejado dos LEDs.

  5. Gera os bytes de dados (resultadoA e resultadoB)
    O padrão binário é dividido em dois bytes. Cada bit representa o estado de um LED (aceso ou apagado).

  6. Monta o quadro Modbus RTU
    O quadro contém: endereço do escravo, código da função, endereço inicial dos coils, quantidade, dados e CRC.

  7. Calcula o CRC16 e adiciona ao quadro
    O sistema usa uma função CRC (implementada em crc16.h) para garantir a integridade da mensagem.

  8. Envia via RS-485
    O quadro completo é transmitido pela interface serial /dev/ttyUSB0, utilizando padrão RS-485.

  9. Inicia timeout com millis_now()
    Um contador é ativado para aguardar resposta dentro de tempo limite, evitando travamentos.

  10. ESCRAVO (Arduino) valida o quadro
    O Arduino confere o endereço, função e CRC. Apenas responde se o quadro for válido e destinado a ele.

  11. Escravo interpreta os dados e atualiza LEDs
    Com base nos bytes recebidos, os LEDs da matriz 8x8 são ligados conforme o padrão solicitado.

  12. Escravo monta e envia resposta Modbus
    Um novo quadro é enviado ao mestre confirmando que os dados foram processados corretamente.

  13. Mestre recebe a resposta e verifica o CRC
    A resposta é validada novamente, garantindo que não houve corrupção na transmissão.

  14. Mestre exibe mensagem de sucesso ("OK")
    Caso o CRC seja válido, o terminal informa que a operação foi bem-sucedida.

  15. Tratamento de falhas
    Em caso de erro no CRC ou ausência de resposta dentro do timeout, o sistema exibe erro e permite nova tentativa sem encerrar o programa.

Testes

Procedimentos de Teste

Foram realizados testes para verificar a correta comunicação entre mestre e escravo, bem como o funcionamento da matriz de LEDs.
Os testes confirmaram a eficácia da implementação.

Rotinas de Falhas

O menu do Mestre trata erros como CRC inválido e ausência de resposta do escravo.
Em caso de falha, o sistema exibe mensagens de erro e permite nova tentativa sem travar a execução.

Desafios

Troca do ESP32 pelo Arduino

O ESP32 apresentou instabilidade com Modbus RTU e acionamento de LEDs (sinais de 3,3V).
Foi substituído pelo Arduino (5V), garantindo confiabilidade na comunicação e controle dos LEDs.

Melhorias no Programa Mestre

O programa poderia ter variáveis dinâmicas como endereço do escravo e porta serial.
Tornar essas variáveis configuráveis aumentaria a flexibilidade e reutilização do código.

Endereçamento e Broadcast

Implementado suporte a múltiplos escravos com endereços de 1 a 4.
Broadcast também foi testado com cuidado para evitar respostas no barramento, prevenindo colisões.

Referências

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Modbus RTU EIA-485

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