工業(yè)通信協(xié)議

1、Modbus通信編程摘要 工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制，如今已進入網絡時代，工業(yè)控制器連網 也為網絡管理提供了方便。Modbus 就是工業(yè)控制器的網絡協(xié)議中的一種。關鍵詞 Modbus 協(xié)議，串行通信， LRC 校驗，CRC 校驗，RS-232C1. Modbus 協(xié)議簡介Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由 網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生 產的控制設備可以連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述

2、了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它 制定了消息域格局和內容的公共格式。當在一 Modbus 網絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus 協(xié)議發(fā)出。在其它網絡上，包含了Modbus 協(xié)議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。1.1 在 Modbus 網絡上轉輸標準的 Modbus 口是使用一 RS-232C 兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸 波

3、特率、奇偶校驗。控制器能直接或經由Modem 組網。控制器通信使用主一從技術，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢）。其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。典型的主設備：主機和可編程儀表。典型的從設備：可 編程控制器。主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一消 息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus 協(xié)議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數據、一錯誤檢測域。從設備回應消息也由 Modbus 協(xié)議構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據、和一錯誤檢測 域。如果在消息接收過程

4、中發(fā)生一錯誤，或從設備不能執(zhí)行其命令，從設備將建立一錯誤消息并把 它作為回應發(fā)送出去。1.2 在其它類型網絡上轉輸 在其它網絡上，控制器使用對等技術通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨 的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。提供的多個內部通道可允許同時發(fā)生的傳 輸進程。在消息位，Modbus 協(xié)議仍提供了主 一從原則，盡管網絡通信方法是 對等”。如果一控制器發(fā)送一消 息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一從 設備回應格式并返回給發(fā)送的控制器。1.3 查詢一回應周期.查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功

5、能。數據段包含了從設備要執(zhí)行功能的任 何附加信息。例如功能代碼03 是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證 消息內容是否正確的方法。.回應如果從設備產生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數據 段包括了從設備收集的數據：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出 回應消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內 容是否可用。2.兩種傳輸方式控制器能設置為兩種傳輸模式（ ASCII 或 RTU）中的任何一

6、種在標準的Modbus 網絡通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個 Modbus 網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。ASCII 模式地址功能代碼數據數量數據 1.數據 nLRC 高字節(jié)LRC 低字節(jié)回車換行RTU 模式地址功能代碼數據數量數據 1 數據 nCRC 高字節(jié)CRC 低字節(jié)所選的 ASCII 或 RTU 方式僅適用于標準的 Modbus 網絡，它定義了在這些網絡上連續(xù)傳輸的消息段 的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網絡上（象 MAP 和 Modbus Plus） Modbus 消息被轉

7、成與串行傳輸無關的幀。2.1 ASCII 模式當控制器設為在 Modbus 網絡上以 ASCII （美國標準信息交換代碼） 模式通信，在消息中的每個 8Bit 字節(jié)都作為兩個ASCII 字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1 秒而不產生錯誤。代碼系統(tǒng)十六進制，ASCII 字符 0.9, A.F消息中的每個 ASCII 字符都是一個十六進制字符組成每個字節(jié)的位.1 個起始位.7 個數據位，最小的有效位先發(fā)送.1 個奇偶校驗位，無校驗則無.1 個停止位（有校驗時），2 個 Bit （無校驗時）錯誤檢測域.LRC（縱向冗長檢測）2.2 RTU 模式當控制器設為在 Modbus 網絡

8、上以 RTU （遠程終端單元）模式通信，在消息中的每個8Bit 字節(jié)包含兩個 4Bit 的十六進制字符。 這種方式的主要優(yōu)點是： 在同樣的波特率下， 可比 ASCII 方式傳送更多 的數據。代碼系統(tǒng).8 位二進制，十六進制數 0.9, A.F.消息中的每個 8 位域都是一個兩個十六進制字符組成每個字節(jié)的位.1 個起始位.8 個數據位，最小的有效位先發(fā)送.1 個奇偶校驗位，無校驗則無.1 個停止位（有校驗時），2 個 Bit （無校驗時）錯誤檢測域.CRC（循環(huán)冗長檢測）3. Modbus 消息幀兩種傳輸模式中（ASCII 或 RTU）,傳輸設備以將 Modbus 消息轉為有起點和終點的幀，這就

9、允許接收的設備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設備被選中（廣播方式則傳給所有 設備），判知何時信息已完成。部分的消息也能偵測到并且錯誤能設置為返回結果。3.1 ASCII 幀 使用 ASCII 模式，消息以冒號（:）字符（ASCII 碼 3AH）開始，以回車換行符結束（ASCII 碼0DH,0AH ）。其它域可以使用的傳輸字符是十六進制的0.9,A.F。網絡上的設備不斷偵測“:字符，當有一個冒號接收到時，每個設備都解碼下個域（地址域）來判斷是否發(fā)給自己的。消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1 秒，否則接收的設備將認為傳輸錯誤。一個典型消息幀如下所示：起始位設備地址 功能代碼

10、 數據LRC 校驗結束符1 個字符2 個字符2 個字符n 個字符2 個字符2 個字符圖 2 ASCII消息幀3.2 RTU 幀使用 RTU 模式，消息發(fā)送至少要以 3.5 個字符時間的停頓間隔開始。在網絡波特率下多樣的字符時 間，這是最容易實現(xiàn)的（如下圖的 T1-T2-T3-T4 所示）。傳輸的第一個域是設備地址?？梢允褂玫膫?輸字符是十六進制的 0.9,A.F。網絡設備不斷偵測網絡總線，包括停頓間隔時間內。當第一個域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少 3.5 個字符時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須

11、作為一連續(xù)的流轉輸。如果在幀完成之前有超過1.5 個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于 3.5 個字符時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤， 因為在最后的 CRC 域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如下所示：起始位設備地址 功能代碼 數據CRC 校驗結束符T1-T2-T3-T48Bit8Bitn 個 8Bit16BitT1-T2-T3-T4圖 3 RTU 消息幀3.3 地址域消息幀的地址域包含兩個字符（ ASCII ）或 8Bit （RTU）。可能的從設備地址是0.247 （十

12、進制）。單個設備的地址范圍是1.247。主設備通過將要聯(lián)絡的從設備的地址放入消息中的地址域來選通從設備。當從設備發(fā)送回應消息時，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個設 備作出回應。地址 0 是用作廣播地址，以使所有的從設備都能認識。當 Modbus 協(xié)議用于更高水準的網絡，廣播 可能不允許或以其它方式代替。3.4 如何處理功能域消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII ）或 8Bits（ RTU ）?？赡艿拇a范圍是十進制的1.255。當然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應用于某種控制器，還有些保留以備后用。當消息從主設備發(fā)往從設備時，功能代碼域將告之從設備需要執(zhí)

13、行哪些行為。例如去讀取輸入的開 關狀態(tài)，讀一組寄存器的數據內容，讀從設備的診斷狀態(tài)，允許調入、記錄、校驗在從設備中的程 序等。當從設備回應時，它使用功能代碼域來指示是正常回應（無誤）還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異議回應）。對正?；貞?，從設備僅回應相應的功能代碼。對異議回應，從設備返回一等同于正常代碼的代碼， 但最重要的位置為邏輯 1。例如：一從主設備發(fā)往從設備的消息要求讀一組保持寄存器，將產生如下功能代碼：0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制 03H）對正常回應，從設備僅回應同樣的功能代碼。對異議回應，它返回： 1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制 83H） 除功能代碼因異議錯誤作了修

14、改外，從設備將一獨特的代碼放到回應消息的數據域中，這能告訴主 設備發(fā)生了什么錯誤。主設備應用程序得到異議的回應后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設備的消息并報 告給操作員。3.5 數據域數據域是由兩個十六進制數集合構成的，范圍00.FF。根據網絡傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由一 RTU 字符組成。從主設備發(fā)給從設備消息的數據域包含附加的信息：從設備必須用于進行執(zhí)行由功能代碼所定義的 所為。這包括了象不連續(xù)的寄存器地址，要處理項的數目，域中實際數據字節(jié)數。例如，如果主設備需要從設備讀取一組保持寄存器（功能代碼03）,數據域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數量。如果主設備

15、寫一組從設備的寄存器（功能代碼10 十六進制），數據域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數量，數據域的數據字節(jié)數，要寫入寄存器的數據。如果沒有錯誤發(fā)生，從從設備返回的數據域包含請求的數據。如果有錯誤發(fā)生，此域包含一異議代 碼，主設備應用程序可以用來判斷采取下一步行動。在某種消息中數據域可以是不存在的（0 長度）。例如，主設備要求從設備回應通信事件記錄（功能代碼 0B 十六進制），從設備不需任何附加的信息。3.6 錯誤檢測域標準的 Modbus 網絡有兩種錯誤檢測方法。錯誤檢測域的內容視所選的檢測方法而定。ASCII當選用 ASCII 模式作字符幀，錯誤檢測域包含兩個 ASCII 字符。這

16、是使用 LRC （縱向冗長檢測） 方 法對消息內容計算得出的，不包括開始的冒號符及回車換行符。LRC 字符附加在回車換行符前面。RTU當選用 RTU 模式作字符幀，錯誤檢測域包含一 16Bits 值（用兩個 8 位的字符來實現(xiàn)）。錯誤檢測域的 內容是通過對消息內容進行循環(huán)冗長檢測方法得出的。CRC 域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故 CRC 的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最 后一個字節(jié)。3.7 字符的連續(xù)傳輸當消息在標準的 Modbus 系列網絡傳輸時，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右） 最低有效位.最高有效位使用 ASCII 字符幀時，位的序列是:有奇偶校驗啟始位123456

17、7奇偶位停止位無奇偶校驗啟始位1234567停止位停止位圖 4.位順序（ASCII ）使用 RTU 字符幀時，位的序列是: 有奇偶松驗啟始位12345678奇偶位停止位無奇偶校驗啟始位12345678停止位停止位圖 4.位順序（RTU）4.錯誤檢測方法標準的 Modbus 串行網絡采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用， 幀檢測（LRC 或 CRC）應用于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設備產生的，從設備在接收過程中檢測每個字符和整 個消息幀。用戶要給主設備配置一預先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設備都能作 為正常反應。如果從設備測到一傳輸錯誤，消息將不會接收，

18、也不會向主設備作出回應。這樣超時 事件將觸發(fā)主設備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設備的地址也會產生超時。4.1 奇偶校驗用戶可以配置控制器是奇或偶校驗，或無校驗。這將決定了每個字符中的奇偶校驗位是如何設置的。如果指定了奇或偶校驗，“1 的位數將算到每個字符的位數中( ASCII 模式 7 個數據位，RTU 中 8個數據位)。例如 RTU 字符幀中包含以下 8 個數據位：1 1 0 0 0 1 0 1整個“1 的數目是 4 個。如果便用了偶校驗，幀的奇偶校驗位將是0,便得整個“1 的個數仍是 4 個。如果便用了奇校驗，幀的奇偶校驗位將是1,便得整個“1 的個數是 5 個。如果沒有指定奇偶校驗位，傳輸

19、時就沒有校驗位，也不進行校驗檢測。代替一附加的停止位填充至 要傳輸的字符幀中。4.2 LRC 檢測使用 ASCII 模式，消息包括了一基于LRC 方法的錯誤檢測域。LRC 域檢測了消息域中除開始的冒號及結束的回車換行號外的內容。LRC 域是一個包含一個 8 位二進制值的字節(jié)。LRC 值由傳輸設備來計算并放到消息幀中，接收設備在接收消息的過程中計算LRC，并將它和接收到消息中LRC 域中的值比較，如果兩值不等，說明有錯誤。LRC 方法是將消息中的 8Bit 的字節(jié)連續(xù)累加，丟棄了進位。LRC 簡單函數如下：static unsigned char LRC(auchMsg,usDataLen)un

20、signed char *auchMsg ; /* 要進行計算的消息 */unsigned short usDataLen ; /* LRC 要處理的字節(jié)的數量 */ unsigned char uchLRC = 0 ; /* LRC字節(jié)初始化 */while (usDataLen-) /* 傳送消息 */uchLRC += *auchMsg+ ; /* 累加 */ return (unsigned char)(-(char_uchLRC) ;4.3 CRC 檢測使用 RTU 模式，消息包括了一基于 CRC 方法的錯誤檢測域。CRC 域檢測了整個消息的內容。CRC 域是兩個字節(jié)，包含一 16

21、位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新 計算收到消息的 CRC,并與接收到的 CRC 域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。CRC 是先調入一值是全 “1 的 16 位寄存器，然后調用一過程將消息中連續(xù)的8 位字節(jié)各當前寄存器中的值進行處理。 僅每個字符中的 8Bit 數據對 CRC 有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC 產生過程中，每個 8 位字符都單獨和寄存器內容相或（OR）,結果向最低有效位方向移動，最高有效位以 0 填充。LSB 被提取出來檢測，如果 LSB 為 1,寄存器單獨和預置的值或一下，如果 LSB 為 0,則不進行。整個過程要重復8 次。在最后一

22、位（第 8 位）完成后，下一個 8 位字節(jié)又單獨和寄存器的當前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC 值。CRC 添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。CRC 簡單函數如下: unsigned short CRC16(puchMsg, usDataLen)unsigned char *puchMsg ; /* 要進行 CRC 校驗的消息 */unsigned short usDataLen ; /* 消息中字節(jié)數 */unsigned char uchCRCHi = 0 xFF ; /* 高 CRC 字節(jié)初始化 */unsigned char uchCRCLo =

23、0 xFF ; /* 低 CRC 字節(jié)初始化 */unsigned uIndex ; /* CRC 循環(huán)中的索引 */while (usDataLen-) /* 傳輸消息緩沖區(qū) */0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40,(ulndex = uchCRCHiA*puchMsgg+ ; /* 計算 CRC */uchCRCHi = uchCRCLoAauchCRCHiuIndex;uchCRCLo = auchCRCLouIndex;return (uchCRCHi 8 | uchCRCLo);/*

24、 CRC 高位字節(jié)值表 */static unsigned char auchCRCHi = (0 x00, 0 xC1, 0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 x

25、C1, 0 x81, 0 x40,0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 xC1,0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 xC1,0 x81, 0 x40, 0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00,

26、0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40, 0 x00, 0 xC1, 0 x81, 0 x40,0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 xC1,0 x1E, 0 xDE, 0 xDF, 0 x1F , 0 xDD, 0 x1D, 0 x1C, 0 xDC, 0 x14, 0 xD4,0 x00, 0 xC1, 0 x81,0 x40, 0 x

27、01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x01, 0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40,0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41,0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41, 0 x00, 0 xC1,0 x81, 0 x40,0 x00, 0 xC1, 0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x01, 0 xC0,0

28、x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1, 0 x81,0 x40, 0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0

29、x00, 0 xC1,0 x81, 0 x40,0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1, 0 x81,0 x40, 0 x01,0 xC0, 0 x80, 0 x41,0 x01, 0 xC0,0 x80, 0 x41,0 x00, 0 xC1,0 x81,0 x40；/* CRC 低位字節(jié)值表*/static char auchCRCLo = (0

30、x00, 0 xC0, 0 xC1,0 x01,0 xC3, 0 x03, 0 x02, 0 xC2, 0 xC6, 0 x06,0 x07, 0 xC7, 0 x05, 0 xC5, 0 xC4, 0 x04, 0 xCC, 0 x0C, 0 x0D, 0 xCD,0 x0F, 0 xCF, 0 xCE, 0 x0E, 0 x0A, 0 xCA, 0 xCB, 0 x0B, 0 xC9, 0 x09,0 x08, 0 xC8, 0 xD8, 0 x18, 0 x19, 0 xD9, 0 x1B, 0 xDB, 0 xDA, 0 x1A,0 x43, 0 x83, 0 x41, 0 x81,

31、0 x80, 0 x400 xD5, 0 x15, 0 xD7, 0 x17, 0 x16, 0 xD6, 0 xD2, 0 x12, 0 x13, 0 xD3, 0 x11,0 xD1, 0 xD0, 0 x10, 0 xF0, 0 x30, 0 x31, 0 xF1,0 x33,0 xF3,0 xF2, 0 x32, 0 x36, 0 xF6, 0 xF7, 0 x37, 0 xF5,0 x35, 0 x34, 0 xF4,0 x3C, 0 xFC, 0 xFD, 0 x3D, 0 xFF, 0 x3F , 0 x3E, 0 xFE, 0 xFA, 0 x3A,0 x3B, 0 xFB, 0 x39, 0 xF9, 0 xF8, 0 x38, 0 x28, 0 xE8, 0 xE9, 0