工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(2013)15

1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（15）哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所劉勇2013（春）四、Modbus協(xié)議 Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，目前施耐德公司已將Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA（Interface for Distributed Automation ，分布式自動化接口）組織，并成立了Modbus-IDA。在 我 國 ， M o d b u s 已 經(jīng) 成 為 國 家 標(biāo) 準(zhǔn)GB/T19582-2008。Modbus的優(yōu)點：（1）標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。（2）由于Modbus是

2、面向報文的協(xié)議，因此它可以支持多種電氣接口，如RS232、RS485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線射頻等。（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。1、Modbus協(xié)議描述 Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機/服務(wù)器通信。Modbus定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。在特定總線或網(wǎng)絡(luò)上，通過在其基礎(chǔ)上引入一些附加域，使其成為相應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）。互聯(lián)網(wǎng)用戶能夠使用TCP/IP棧上的保留端口502訪問Modbus。 Modbus網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實例

3、通用Modbus幀介紹基于UART的串行通信時提到的幀的概念在Modbus中對應(yīng)于字符，或者可以稱之為子幀，應(yīng)與Modbus中的幀區(qū)分開來。Modbus的PDU最大長度為253字節(jié)，是因為其最初是在串行鏈路上實現(xiàn)的，受RS485的ADU最大256字節(jié)（1字節(jié)服務(wù)器地址+253字節(jié)PDU+2字節(jié)差錯校驗碼）限制。Modbus PDU的功能碼域用一個字節(jié)編碼。有效的值是1255。服務(wù)器對客戶機響應(yīng)時，若是正常響應(yīng)，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼。對于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置邏輯1后返回。客戶機發(fā)往服務(wù)器的數(shù)據(jù)域包括離散量和寄存器地址、處理的項目數(shù)量以及域中的實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等。服務(wù)器使用

4、這些信息執(zhí)行功能碼定義的操作，并將請求的結(jié)果返回給客戶機。TCP Modbus ADU=253字節(jié)+MBAP（7字節(jié)）=260字節(jié)。（MBAP：Modbus應(yīng)用協(xié)議報文頭。）Modbus定義了3種PDU： Modbus請求PDU； Modbus響應(yīng)PDU； Modbus異常響應(yīng)PDU。2、數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)模型 （1）數(shù)據(jù)編碼Modbus使用“大端模式”（Big-Endian）。例如：寄存器大小為16位，寄存器值為0 x1234，發(fā)送的第一個字節(jié)為0 x12，然后發(fā)送0 x34。（2）數(shù)據(jù)模型 基本表 對象類型 訪問類型 注釋 離散量輸入 單個位 只讀 I/O系統(tǒng)可提供這種類型數(shù)據(jù) 線圈 單個位

5、讀寫 通過應(yīng)用程序可改變這種數(shù)據(jù)類型 輸入寄存器 16位字 只讀 I/O系統(tǒng)可提供這種類型數(shù)據(jù) 保持寄存器 16位字 讀寫 通過應(yīng)用程序可改變這種數(shù)據(jù)類型 對于每個基本表，協(xié)議允許單個地操作編號為065535的任意一個數(shù)據(jù)項，而這些數(shù)據(jù)項的讀寫操作可以擴展到多個連續(xù)數(shù)據(jù)項直到達到最大數(shù)量限制，具體數(shù)量限制與功能碼有關(guān)。操作連續(xù)數(shù)據(jù)項的數(shù)量限制的原因是Modbus PDU最大為253字節(jié)。Modbus處理的所有數(shù)據(jù)（位、寄存器）都放置在設(shè)備應(yīng)用存儲器中。存儲器的物理地址與數(shù)據(jù)編號不能混淆，具體應(yīng)用中只需要將數(shù)據(jù)編號與物理地址鏈接。Modbus功能碼中使用的邏輯編號是以0開始的無符號整數(shù)索引。帶有

6、獨立塊的Modbus數(shù)據(jù)模型僅帶有1個塊的Modbus數(shù)據(jù)模型3、尋址模型4、功能碼分類與描述三類功能碼：（1） 公共功能碼。由Modbus-IDA確認。 （2）用戶定義的功能碼。在十進制6572和100110區(qū)域。（3）保留功能碼。某些公司在傳統(tǒng)產(chǎn)品上現(xiàn)行使用的功能碼。5、異常響應(yīng) 客戶機的詢問可能導(dǎo)致下列四種事件之一：（1）服務(wù)器設(shè)備接收到無通信錯誤的請求，并且可以正常地處理詢問，那么服務(wù)器設(shè)備將返回一個正常的響應(yīng)。（2）由于通信錯誤，服務(wù)器沒有接收到請求，那么不能返回響應(yīng)。客戶機程序?qū)⒁曋疄槌瑫r。（3）服務(wù)器接收到請求，但是檢測到一個通信錯誤（奇偶校驗、LRC、CRC等），那么不能返回響

7、應(yīng)。客戶機程序?qū)⒁曋疄槌瑫r。（4）服務(wù)器接收到無通信錯誤的請求，但不能處理這個請求（例如，請求讀一個不存在的寄存器），服務(wù)器將返回一個異常響應(yīng)，通知客戶機錯誤的實際情況。Modbus異常碼6、數(shù)據(jù)鏈路層 Modbus串行鏈路協(xié)議是一個主從協(xié)議，位于OSI模型的第2層數(shù)據(jù)鏈路層。在同一時間內(nèi)，只能將一個主站連接到總線，將至多247個從站連接到相同串行總線，從站地址必須唯一 。從站沒有收到來自主站的請求時，將不會發(fā)送數(shù)據(jù)，從站之間不能相互通信。地址0被保留用來識別廣播通信。從站對于主站的廣播請求沒有應(yīng)答返回。廣播請求必須是寫命令。Modbus協(xié)議與ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模型 （1） RTU（遠程終端單

8、元）傳輸模式 報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符。起始 12345678校驗 停止 RTU模式中的位序列RTU模式中：起始位、校驗位、停止位各1位，偶校驗，當(dāng)采用無校驗時要求2個停止位。Modbus RTU報文幀中幀間字符間隔和幀內(nèi)字符間隔必須分別遵守大于等于3.5個字符時間和小于等于1.5個字符時間的規(guī)定。 起始 地址 功能碼 數(shù)據(jù) CRC校驗 結(jié)束 3.5字符 8位 8位 N8位 16位 3.5字符 RTU模式報文幀格式CRC域作為報文的最后域附加到報文上。首先附加CRC域的低位字節(jié)， 然后附加CRC域的高位字節(jié)。 （2） ASCII（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）傳輸模式 用兩個ACSI

9、I字符發(fā)送報文中的一個8位字節(jié)。 ASCII模式中：起始位、校驗位、停止位各1位，偶校驗，當(dāng)采用無校驗時要求2個停止位。起始 1234567校驗 停止 ASCII模式中的位序列 在ASCII模式中，一個報文必須以一個“冒號”（：）字符（ASCII碼3A）起始，以“回車換行”（CRLF）（ASCII碼 0D、0A）結(jié)束。字符間隔應(yīng)小于1秒。 縱向冗余校驗（LRC）是1個字節(jié)，包含8位二進制值，但其結(jié)果被編碼為兩個字節(jié)的ASCII碼。 起始位 設(shè)備地址 功能代碼 數(shù)據(jù) LRC校驗 結(jié)束位 1個字符 2個字符 2個字符 02252個字符 2個字符 2個字符CR、LF ASCII模式報文幀格式 在Mo

10、dbus串行鏈路上，所有設(shè)備的傳輸模式（及串行口參數(shù)）必須相同。在Modbus串行鏈路設(shè)備實現(xiàn)等級的基本等級中只要求實現(xiàn)RTU模式，常規(guī)等級要求實現(xiàn)RTU模式和ASCII模式。默認設(shè)置必須為RTU模式。RTU模式的主要優(yōu)點是在相同的波特率下其較高的字符密度具有比ASCII模式更高的吞吐率。目前主流的微控制器都帶有UART模塊，支持10位和11位模式，支持奇偶校驗方式選擇，一般數(shù)據(jù)位發(fā)送順序也是先最低有效位后最高有效位，可以方便地實現(xiàn)RTU模式和ASCII模式。通用的RS485兩線制拓撲結(jié)構(gòu)7、物理層 （1）電氣接口通用的RS485四線制拓撲結(jié)構(gòu) 短距離點到點通信時，電氣接口還可使用RS232。

11、（2）數(shù)據(jù)信號傳輸速率要求實現(xiàn)9600bps和19200bps，其中19200bps是默認值。還可以選擇實現(xiàn)：1200bps、2400bps、4800bps、38400bps、56000bps等。（3）線路終端和極性偏置終端電阻可以是150（0.5W）電阻或120（0.25W）電阻與1nF電容（最低10V）的串聯(lián)。偏置電阻的阻值應(yīng)在450650之間。四線制RJ45和D型連接器信號線分布（4）機械接口二線制RJ45和D型連接器信號線分布（5）線纜及長度必須使用屏蔽電纜，屏蔽層接保護地。常用的AWG24電纜。對于最高波特率9600bps，AWG26（或更粗）的電纜來說，其最大長度為1000m。8、

12、Modbus關(guān)鍵技術(shù)分析 （1）Modbus RTU幀的幀內(nèi)和幀間字符間隔設(shè)定多數(shù)微控制器只能檢測一個字符的停止位，而無法檢測到字符的起始位。這樣實際檢測到的相鄰兩個字符之間的時間間隔等于Modbus協(xié)議規(guī)定的相鄰兩個字符之間的時間間隔加上傳輸一個字符需要的時間。實際應(yīng)用中，若檢測到相鄰兩個字符之間的時間間隔小于等于2.5個字符時間，則認為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀是連續(xù)的；若檢測到相鄰兩個字符之間的時間間隔大于等于4.5個字符時間，則認為前一幀結(jié)束，下一幀開始。常使用一個定時器，定時時間為0.5個字符時間，并設(shè)定一個計數(shù)器變量為TCOUNT，開始時清零。在中斷處理程序中對TCOUNT做加1運算，并判斷是否

13、累加到5或9。等于5時，將1.5個字符時間已到標(biāo)志位T3FLAG置成0 x01，繼續(xù)計數(shù)并判斷TCOUNT是否等于9。當(dāng)?shù)扔?時，將3.5個字符時間已到標(biāo)志位T7FLAG置成0 x01，TCOUNT清零。串口接收中斷處理流程圖實現(xiàn)RTU接收的驅(qū)動程序會隱含著對t1.5和t3.5定時器的大量中斷的管理。在較高的通信波特率下，這將導(dǎo)致CPU負擔(dān)加重。當(dāng)波特率等于或低于19200bps時，必須嚴格地遵守這兩個定時；波特率大于19200bps的情況下，兩個定時器應(yīng)該使用固定值：建議字符間隔超時時間（t1.5）為750s，幀間的超時時間（t3.5）為1.750ms。（2） Modbus CRC校驗碼的生成每個字符中只有8個數(shù)據(jù)位參與生成CRC的計算，起始位、停止位和校驗位不參與CRC計算。生成一個CRC的過程：（a）將0 xFFFF（全1）裝入一個16位寄存器。將這個寄存器稱作CRC寄存器。（b）將報文的第一個8位字節(jié)與16位CRC寄存器的低字節(jié)異或，將結(jié)果放置在CRC寄存器中。 （c）將CRC寄存器右移1位（向LSB方向），MSB填充零。提取并檢測LSB。（d）如果LSB為0：重復(fù)步驟（c）（進行另一次移位）。如果LSB為1：將CRC寄存器與多項式值0 xA001（1010 0000 0000 0001）異或。（e）重復(fù)步驟（c）和（d），直到完成8次移位。