作りながら学ぶArduino+=電子工作入門

　Arduino UNOには0、1ピンを利用するUARTと任意のピンが使えるソフトウェア・シリアルがあります。どちらもTTLレベルの全二重通信が物理層でできます。物理層とは電線を接続する部分です。ここにRS-485の変換ICを接続して使うと、RS-485のネットワークにつないで通信ができます。物理層の上で利用の多いと思われる通信プロトコルがModbusです。

　Arduino UNOがマスタになり、1:N のスレーブと通信ができます。スレーブは最大32個で、ツイスト・ペア線でつないでいきます。ツイスト・ペア線とは、2本の電線をよじったもので、専用の製品もありますがLANケーブルの内部に使われているので、古いケーブルから取り出して実験に利用できます。外来ノイズはツイスト・ペア線の両方を貫通するので、信号が差動で送られているためノイズはキャンセルされます。

　Modbusはマスタから通信を開始し、スレーブがそれに応答するという形で通信プロトコルが作られています。

●Modbusのライブラリ

　Arduino IDEでライブラリにModbusがあるかを検索します。二つ見つかりました。

　ModbusMasterをインストールすると、サンプルにModbusMaster-RS485_HalfDuplexがあるので、読み込みます。

#define MAX485_DE 3
#define MAX485_RE_NEG 2

　半二重の方向を切り替える信号は独立して2番と3番ピンに割り当てています。GitHubにあるドキュメントを見ると、

void setup()
{
 // use Serial (port 0); initialize Modbus communication baud rate
    Serial.begin(19200);
// communicate with Modbus slave ID 2 over Serial (port 0)
    node.begin(2, Serial);
}

　0、1番のUARTをコンソールのシリアル通信と共用しているように見えます。

●接続するのはオムロンの小型電力量モニタKM-N1-FLK

　KM-N1-FLK は、最大で四つの交流電流センサCTをつなげられるコンパクトな形状をした電力計です。RS-485でアクセスできます。CTは5A/50Aの最小容量KM-NCT-5A/50Aを、接続ケーブル KM-NCB-1Mをアマゾンで入手しました。測定を兼ねているAC100Vをつなげることで、別途電源は不要です。

　Windows用設定アプリケーション「KM-N Setting Tool Ver.1.0」が利用できるので、USB-RS-485ケーブル・コンバータを購入しました（CH340のドライバが必要）。

　次の接続で設定アプリケーションを動かしました。KM-N1-FLK は100Vへつないであります。終端抵抗の120Ωはスレーブの端に取り付けるのだと思いますが、距離が30cmほどなので影響はないだろうと、このときはUSB側に取り付けました。あとで、KM-N1-FLK側に終端抵抗は移動しました。

　KM-N1-FLK の電源を入れ、USB-RS-485ケーブル・コンバータをPCのUSBハブに挿しこみ、設定アプリケーションを立ち上げます。COM portをプルダウンから選びます。COM13が出てきたので選択しました。Comunication Startをクリックします①。StatusがOnlineになりました。

　Search serial number②をクリックすると、KM-N1-FLK を探し出しました③。

　Readをクリックすると、ID=01を読み出しました。

　デフォルトのプロトコルがOMRONのCompoWay/Fになっていたので、プルダウンからModbunRTU①を選び、Write②で書き込みました。いったん接続を切って再度つなげると、ModbunRTUに変更されていることが確認できました。

　KM-N1-FLK からReadした内容は、CSV OutputでCSVファイルで書き出せます。

　CSVの内容の一部です。

　ParityをEvenからNonに変更はできましたが、そうするとStop bitが2から変更できませんでした。

●Arduinoからアクセス

　Arduino UNOとアマゾンで購入したMAX485 RS-485 TTL－RS-485モジュールコンバータ、小型電力量モニタKM-N1-FLKを次のように接続しました。

　スケッチは、サンプルのRS485_HalfDuplexをベースに一部変更しました。データ長8ビット、パリティなし、ストップ・ビット2は、Serial.begin(9600, SERIAL_8N2);で設定しました。コンソール、RS-485のどちらもこの設定になります。

#include <ModbusMaster.h>
#define MAX485_DE 3
#define MAX485_RE_NEG 2
ModbusMaster node;

void preTransmission()
{
    digitalWrite(MAX485_RE_NEG, 1);
    digitalWrite(MAX485_DE, 1);
}

void postTransmission()
{
    digitalWrite(MAX485_RE_NEG, 0);
    digitalWrite(MAX485_DE, 0);
}

void setup()
{
    pinMode(MAX485_RE_NEG, OUTPUT);
    pinMode(MAX485_DE, OUTPUT);
 // Init in receive mode
    digitalWrite(MAX485_RE_NEG, 0);
    digitalWrite(MAX485_DE, 0);
    Serial.begin(9600, SERIAL_8N2);
    node.begin(1, Serial); // Modbus slave ID 1
 // Callbacks allow us to configure the RS485 transceiver correctly
    node.preTransmission(preTransmission);
    node.postTransmission(postTransmission);
}

bool state = true;

void loop()
{
    uint8_t result;
    uint16_t data[6];

    result = node.readHoldingRegisters(0x0000,2);
    for (int j = 0; j < 6; j++)
    {
         data[j] = node.getResponseBuffer(j);
         Serial.print(data[j]);
    }
    Serial.println(" ");
    delay(1000);
}

　サンプルでの読み出し（0x0000は電圧値）は、

result = node.readInputRegisters(0x0000,2);

でしたが、下図のようにファンクションが04です。OMRONのは03が読み出しファンクションなので、上記のようにreadHoldingRegistersを使いました。0x0000は電圧1が保存されているアドレスで、10倍の値が読み出せます。

●Modbus のプロトコル

　ModbusプロトコルにはASCIIとRTU（バイナリ）モードの2種類がありますが、多くはRTUモードを利用しているようです。マスタからスレーブに対してクエリを送り、当該スレーブから応答メッセージを受け取ります。

　クエリは次のメッセージ・フレームから構成されていて、

の順番でデータを送ります。ユニット番号（上記のID=01）の前には3.5文字分の無通信時間が確保しますが、ライブラリ内もしくはpreTransmission/postTransmissionで処理がされると思われます。

　ユニット番号は、機器の購入時にデフォルトでは1番になっていることが多いようです。複数台つなぐときは、ユーティリティなどを利用して変更し重ならないようにします。

　ファンクション・コードは複数あります。KM-N1-FLKでは次の四つがサポートされています。

• 0x03　変数読み出し（連続）
• 0x10　変数書き込み（連続）
• 0x06　変数書き込み（単一）
• 0x08　エコーバック・テスト

　データは、2バイト単位のようです。ユニット番号からデータの最後までをCRC-16で計算して2バイトのデータとして最後につけます。CRC-16はライブラリが計算して追加してくれます。

　変数読み出し時、データには変数の収納されているアドレスを指定します。スレーブ・デバイスによって、アドレスとその内容は異なります。KM-N1-FLKには、約22のアドレスがあります。代表的なアドレスとその内容を示します。

　応答メッセージの構成です。データを複数要求していたら、バッファから2バイトずつ必要分読み出します。

●Modbus ライブラリのファンクション

◆Discrete Coils/Flags（ DO（Discrete Output）/DI（Discrete Input）のON/OFF状態を読んだり変更する）

• 0x01 - Read Coils
• 0x02 - Read Discrete Inputs
• 0x05 - Write Single Coil
• 0x0F - Write Multiple Coils

◆アドレスへの読み書き

• 0x03 - Read Holding Registers
• 0x04 - Read Input Registers
• 0x06 - Write Single Register
• 0x10 - Write Multiple Registers
• 0x16 - Mask Write Register
• 0x17 - Read Write Multiple Registers

●はんだゴテの電流変化

　次のようにCTをはんだゴテの一方のラインに通し、「電流1」の値を読み出します。はんだゴテは、温度調節付きのFX600です。伝送エラー時の処理などは省略しています。

#include <ModbusMaster.h>
#define MAX485_DE 3
#define MAX485_RE_NEG 2
ModbusMaster node;

void preTransmission() {
    digitalWrite(MAX485_RE_NEG, 1);
    digitalWrite(MAX485_DE, 1);
}

void postTransmission() {
    digitalWrite(MAX485_RE_NEG, 0);
    digitalWrite(MAX485_DE, 0);
}

void setup() {
    pinMode(MAX485_RE_NEG, OUTPUT);
    pinMode(MAX485_DE, OUTPUT);
 // Init in receive mode
    digitalWrite(MAX485_RE_NEG, 0);
    digitalWrite(MAX485_DE, 0);
 // Modbus slave ID 1
    Serial.begin(9600, SERIAL_8N2);
    node.begin(1, Serial);
 // Callbacks allow us to configure the RS485 transceiver correctly
    node.preTransmission(preTransmission);
    node.postTransmission(postTransmission);
}

void loop() {
    uint8_t result;
    result = node.readHoldingRegisters(0x0006,2);
    Serial.println( node.getResponseBuffer(1));
    delay(1000);
}

　測定結果です。はんだゴテをつないだ直後は1Aの電流が流れますが、その後300mAのON/OFFを繰り返して温度調節が行われています。