第3章 通用串行通信接口技術

第3章通用串行通信

接口技術IBM-PC及其兼容機是目前應用較廣泛的一種計算機，通常用它作為分布式測控系統(tǒng)的上位機，而單片微處理器和單片微控制器軟硬件資源豐富，價格低，適合于作下位機。上位機與下位機一般采用串行通信技術，常用的有RS-232C接口及RS-422和RS-485接口，并采用Modbus-RTU通信協(xié)議進行通信。本章首先講述了串行通信基礎，然后講述了RS-232C串行通信接口、RS-485串行通信接口和USB接口，最后講述了Modbus通信協(xié)議以及在PMM2000電力網(wǎng)絡儀表中的應用。3.1串行通信基礎3.1.1串行異步通信數(shù)據(jù)格式無論是RS-232還是RS-485，均可采用串行異步收發(fā)數(shù)據(jù)格式。在串行端口的異步傳輸中，接收方一般事先并不知道數(shù)據(jù)會在什么時候到達。在它檢測到數(shù)據(jù)并做出響應之前，第一個數(shù)據(jù)位就已經(jīng)過去了。因此每次異步傳輸都應該在發(fā)送的數(shù)據(jù)之前設置至少一個起始位，以通知接收方有數(shù)據(jù)到達，給接收方一個準備接收數(shù)據(jù)、緩存數(shù)據(jù)和做出其他響應所需要的時間。而在傳輸過程結(jié)束時，則應由一個停止位通知接收方本次傳輸過程已終止，以便接收方正常終止本次通信而轉(zhuǎn)入其他工作程序。串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式如圖3-1所示。圖3-1串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式3.1.2連接握手通信幀的起始位可以引起接收方的注意，但發(fā)送方并不知道，也不能確認接收方是否已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準備。利用連接握手可以使收發(fā)雙方確認已經(jīng)建立了連接關系，接收方已經(jīng)做好準備，可以進入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。連接握手過程是指發(fā)送者在發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊之前使用一個特定的握手信號來引起接收者的注意，表明要發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者則通過握手信號回應發(fā)送者，說明它已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準備。連接握手可以通過軟件，也可以通過硬件來實現(xiàn)。3.1.3確認接收者為表明數(shù)據(jù)已經(jīng)收到而向發(fā)送者回復信息的過程稱為確認。有的傳輸過程可能會收到報文而不需要向相關節(jié)點回復確認信息。但是在許多情況下，需要通過確認告知發(fā)送者數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。有的發(fā)送者需要根據(jù)是否收到確認信息來采取相應的措施，因而確認對某些通信過程是必需的和有用的。即便接收者沒有其他信息要告訴發(fā)送者，也要為此單獨發(fā)一個確認數(shù)據(jù)已經(jīng)收到的信息。確認報文可以是一個特別定義過的字節(jié)，例如一個標識接收者的數(shù)值。發(fā)送者收到確認報文就可以認為數(shù)據(jù)傳輸過程正常結(jié)束。如果發(fā)送者沒有收到所希望回復的確認報文，它就認為通信出現(xiàn)了問題，然后將采取重發(fā)或者其他行動。3.1.4中斷中斷是一個信號，它通知CPU有需要立即響應的任務。每個中斷請求對應一個連接到中斷源和中斷控制器的信號。通過自動檢測端口事件發(fā)現(xiàn)中斷并轉(zhuǎn)入中斷處理。許多串行端口采用硬件中斷。在串口發(fā)生硬件中斷，或者一個軟件緩存的計數(shù)器到達一個觸發(fā)值時，表明某個事件已經(jīng)發(fā)生，需要執(zhí)行相應的中斷響應程序，并對該事件做出及時的反應。這種過程也稱為事件驅(qū)動。3.1.5輪詢通過周期性地獲取特征或信號來讀取數(shù)據(jù)或發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生的工作過程稱為輪詢。它需要足夠頻繁地輪詢端口，以便不遺失任何數(shù)據(jù)或者事件。輪詢的頻率取決于對事件快速反應的需求以及緩存區(qū)的大小。輪詢通常用于計算機與I/O端口之間較短數(shù)據(jù)或字符組的傳輸。由于輪詢端口不需要硬件中斷，因此可以在一個沒有分配中斷的端口運行此類程序。很多輪詢使用系統(tǒng)計時器來確定周期性讀取端口的操作時間。3.1.6差錯檢驗數(shù)據(jù)通信中的接收者可以通過差錯檢驗來判斷所接收的數(shù)據(jù)是否正確。冗余數(shù)據(jù)校驗、奇偶校驗、校驗和、循環(huán)冗余校驗等都是串行通信中常用的差錯檢驗方法。1．冗余數(shù)據(jù)校驗發(fā)送冗余數(shù)據(jù)是實行差錯檢驗的一種簡單辦法。發(fā)送者對每條報文都發(fā)送兩次，由接收者根據(jù)這兩次收到的數(shù)據(jù)是否一致來判斷本次通信的有效性。當然，采用這種方法意味著每條報文都要花兩倍的時間進行傳輸。在傳送短報文時經(jīng)常會用到它。許多紅外線控制器就使用這種方法進行差錯檢驗。2．奇偶校驗串行通信中經(jīng)常采用奇偶校驗來進行錯誤檢查。校驗位可以按奇數(shù)位校驗，也可以按偶數(shù)位校驗。許多串口支持5~8個數(shù)據(jù)位再加上奇偶校驗位的工作方式。按數(shù)據(jù)位加上校驗位共有偶數(shù)個0的規(guī)則填寫校驗位的方式稱為偶校驗；而按數(shù)據(jù)位加上校驗位共有奇數(shù)個0的規(guī)則填寫校驗位的方式稱為奇校驗。接收方檢驗接收到的數(shù)據(jù)，如果接收到的數(shù)據(jù)違背了事先約定的奇偶校驗的規(guī)則，不是所期望的數(shù)值，說明出現(xiàn)了傳輸錯誤，則向發(fā)送方發(fā)送出錯通知。3.1.6差錯檢驗3．校驗和另一種差錯檢驗的方法是在通信數(shù)據(jù)中加入一個差錯檢驗字節(jié)。對一條報文中的所有字節(jié)進行數(shù)學或者邏輯運算，計算出校驗和。將校驗和形成的差錯檢驗字節(jié)作為該報文的組成部分。接收端對收到的數(shù)據(jù)重復這樣的計算，如果得到了一個不同的結(jié)果，就判定通信過程發(fā)生了差錯，說明它接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致。CRC循環(huán)冗余校驗也是串行通信中常用的檢錯方法，它采用比校驗和更為復雜的數(shù)學計算，其校驗結(jié)果也更加可靠。4．出錯的簡單處理當一個節(jié)點檢測到通信中出現(xiàn)的差錯或者接收到一條無法理解的報文時，應該盡量通知發(fā)送報文的節(jié)點，要求它重新發(fā)送或者采取別的措施來糾正。經(jīng)過多次重發(fā)，如果發(fā)送者仍不能糾正這個差錯，發(fā)送者應該跳過對這個節(jié)點的發(fā)送，發(fā)布一條出錯消息，通過報警或者其他操作來通知操作人員發(fā)生了通信差錯，并盡可能繼續(xù)執(zhí)行其他任務。接收者如果發(fā)現(xiàn)一條報文比期望的報文要短，應該能最終停止連接，并讓主計算機知道出現(xiàn)了問題，而不能無休止地等待一個報文結(jié)束。主計算機可以決定讓該報文繼續(xù)發(fā)送、重發(fā)或者停發(fā)。不應因發(fā)現(xiàn)問題而讓網(wǎng)絡處于無休止的等待狀態(tài)。3.2RS-232C串行通信接口3.2.1RS-232C端子RS-232C的連接插頭用25針或9針的EIA連接插頭座，其主要端子分配如表3-1所示。端

腳方

向符

號功

能25針9針23輸出TXD發(fā)送數(shù)據(jù)32輸入RXD接收數(shù)據(jù)47輸出RTS請求發(fā)送58輸入CTS為發(fā)送清零66輸入DSR數(shù)據(jù)設備準備好75

GND信號地81輸入DCD數(shù)據(jù)信號檢測204輸出DTR229輸入RI表3-1RS-232C主要端子3.2.1RS-232C端子1．信號含義（1）從計算機到MODEM的信號DTR——數(shù)據(jù)終端（DTE）準備好：告訴MODEM計算機已接通電源，并準備好。RTS——請求發(fā)送：告訴MODEM現(xiàn)在要發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）從MODEM到計算機的信號DSR——數(shù)據(jù)設備（DCE）準備好：告訴計算機MODEM已接通電源，并準備好了。CTS——為發(fā)送清零：告訴計算機MODEM已作好了接收數(shù)據(jù)的準備。DCD——數(shù)據(jù)信號檢測：告訴計算機MODEM已與對端的MODEM建立連接了。RI——振鈴指示器：告訴計算機對端電話已在振鈴了。（3）數(shù)據(jù)信號TXD——發(fā)送數(shù)據(jù)。RXD——接收數(shù)據(jù)。3.2.1RS-232C端子2．電氣特性RS-232C的電氣線路連接如圖3-2所示。圖3-2RS-232C的電氣連接接口為非平衡型，每個信號用一根導線，所有信號回路共用一根地線。信號速率限于20kbit/s內(nèi)，電纜長度限于15m之內(nèi)。由于是單線，線間干擾較大。其電性能用±12V標準脈沖。值得注意的是RS-232C采用負邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號Mark=－5~－15V，邏輯“1”電平空號Space=+5~+15V，邏輯“0”電平在控制線上：通On=+5~+15V，邏輯“0”電平斷Off=－5~－15V，邏輯“1”電平RS-232C的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL器件相連必須進行電平轉(zhuǎn)換。由于RS-232C采用電平傳輸，在通信速率為19.2kbit/s時，其通信距離只有15m。若要延長通信距離，必須以降低通信速率為代價。3.2.2通信接口的連接當兩臺計算機經(jīng)RS-232C口直接通信時，兩臺計算機之間的聯(lián)絡線可用圖3-3和圖3-4表示。雖然不接MODEM，圖中仍連接著有關的MODEM信號線，這是由于INT14H中斷使用這些信號，假如程序中沒有調(diào)用INT14H，在自編程序中也沒有用到MODEM的有關信號，兩臺計算機直接通信時，只連接2、3、7（25針EIA）或3、2、5（9針EIA）就可以了。圖3-3使用MODEM信號的RS-232C接口圖3-4不使用MODEM信號的RS-232C接口3.2.3RS-232C電平轉(zhuǎn)換器為了實現(xiàn)采用+5V供電的TTL和CMOS通信接口電路能與RS-232C標準接口連接，必須進行串行口的輸入/輸出信號的電平轉(zhuǎn)換。目前常用的電平轉(zhuǎn)換器有MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC1488驅(qū)動器、MC1489接收器，TI公司的SN75188驅(qū)動器、SN75189接收器及美國MAXIM公司生產(chǎn)的單一+5V電源供電、多路RS-232驅(qū)動器/接收器，如MAX232A等。MAX232A內(nèi)部具有雙充電泵電壓變換器，把+5V變換成±10V，作為驅(qū)動器的電源，具有兩路發(fā)送器及兩路接收器，使用相當方便。MAX232A引腳如圖3-5所示，典型應用如圖3-6所示。單一+5V電源供電的RS-232C電平轉(zhuǎn)換器還有TL232、ICL232等。圖3-5MAX232A引腳圖圖3-6MAX232A典型應用3.3RS-485串行通信接口3.3.1RS-485接口標準RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號定義如下。當采用+5V電源供電時：若差分電壓信號為－2500~－200mV時，為邏輯“0”；若差分電壓信號為+2500~+200mV時，為邏輯“1”；若差分電壓信號為－200~+200mV時，為高阻狀態(tài)。RS-485的差分平衡電路如圖3-7所示。其一根導線上的電壓是另一根導線上的電壓值取反。接收器的輸入電壓為這兩根導線電壓的差值。圖3-7差分平衡電路3.3.1RS-485接口標準RS-485價格比較便宜，能夠很方便地添加到一個系統(tǒng)中，還支持比RS-232更長的距離、更快的速度以及更多的節(jié)點。RS-485、RS-422、RS-232C之間的主要性能指標的比較如表3-2所示。規(guī)

范RS-232CRS-422RS-485最大傳輸距離15m1200m（速率100kbit/s）1200m（速率100kbit/s）最大傳輸速度20kbit/s10Mbit/s（距離12m）10Mbit/s（距離12m）驅(qū)動器最小輸出/V±5±2±1.5驅(qū)動器最大輸出/V±15±10±6接收器敏感度/V±3±0.2±0.2最大驅(qū)動器數(shù)量1132單位負載最大接收器數(shù)量11032單位負載傳輸方式單端差分差分表3-2RS-485、RS-422、RS-232C的主要技術參數(shù)3.3.2RS-485收發(fā)器RS-485收發(fā)器種類較多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。它們的引腳是完全兼容的，其中SN65ALS1176主要用于高速應用場合，如PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線等。下面僅介紹SN75LBC184。SN75LBC184為具有瞬變電壓抑制的差分收發(fā)器，SN75LBC184為商業(yè)級，其工業(yè)級產(chǎn)品為SN65LBC184。引腳如圖3-8所示。引腳介紹如下：R：接收端。：接收使能，低電平有效。DE：發(fā)送使能，高電平有效。D：發(fā)送端A：差分正輸入端。B：差分負輸入端。VCC：+5V電源。GND：地。SN75LBC184和SN65LBC184具有如下特點。具有瞬變電壓抑制能力，能防雷電和抗靜電放電沖擊；限斜率驅(qū)動器，使電磁干擾減到最小，并能減少傳輸線終端不匹配引起的反射；總線上可掛接64個收發(fā)器；接收器輸入端開路故障保護；具有熱關斷保護；低禁止電源電流，最大300μA；引腳與SN75176兼容。3.3.3應用電路在圖3-9中，RS-485收發(fā)器可為SN75LBC184、SN65LBC184、MAX485等。當P10為低電平時，接收數(shù)據(jù)；當P10為高電平時，發(fā)送數(shù)據(jù)。如果采用RS-485組成總線拓撲結(jié)構(gòu)的分布式測控系統(tǒng)，在雙絞線終端應接120Ω的終端電阻。圖3-9RS-485應用電路3.3.4RS-485網(wǎng)絡互聯(lián)利用RS-485接口可以使一個或者多個信號發(fā)送器與接收器互聯(lián)，在多臺計算機或帶微控制器的設備之間實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)通信，形成分布式測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。1．RS-485的半雙工通信方式在大多數(shù)應用條件下，RS-485的端口連接都采用半雙工通信方式。有多個驅(qū)動器和接收器共享一條信號通路。圖3-10為RS-485端口半雙工連接的電路圖。其中RS-485差動總線收發(fā)器采用SN75LBC184。圖3-10中的兩個120Ω電阻是作為總線的終端電阻存在的。當終端電阻等于電纜的特征阻抗時，可以削弱甚至消除信號的反射。特征阻抗是導線的特征參數(shù)，它的數(shù)值隨著導線的直徑、在電纜中與其他導線的相對距離以及導線的絕緣類型而變化。特征阻抗值與導線的長度無關，一般雙絞線的特征阻抗為100~150Ω。RS-485的驅(qū)動器必須能驅(qū)動32個單位負載加上一個60Ω的并聯(lián)終端電阻，總的負載，包括驅(qū)動器、接收器和終端電阻，不低于54Ω。圖中兩個120Ω電阻的并聯(lián)值為60Ω，32個單位負載中接收器的輸入阻抗會使得總負載略微降低；而驅(qū)動器的輸出與導線的串聯(lián)阻抗又會使總負載增大。最終需要滿足不低于54Ω的要求。還應該注意的是，在一個半雙工連接中，在同一時間內(nèi)只能有一個驅(qū)動器工作。如果發(fā)生兩個或多個驅(qū)動器同時啟用，一個企圖使總線上呈現(xiàn)邏輯1，另一個企圖使總線上呈現(xiàn)邏輯0，則會發(fā)生總線競爭，在某些元件上就會產(chǎn)生大電流。因此所有RS-485的接口芯片上都必須包括限流和過熱關閉功能，以便在發(fā)生總線競爭時保護芯片。3.3.4RS-485網(wǎng)絡互聯(lián)1．RS-485的半雙工通信方式圖3-10RS-485端口的半雙工連接3.3.4RS-485網(wǎng)絡互聯(lián)2．RS-485的全雙工連接盡管大多數(shù)RS-485的連接是半雙工的，但是也可以形成全雙工RS-485連接。圖3-11和圖3-12分別表示兩點和多點之間的全雙工RS-485連接。在全雙工連接中信號的發(fā)送和接收方向都有它自己的通路。在全雙工、多節(jié)點連接中，一個節(jié)點可以在一條通路上向所有其他節(jié)點發(fā)送信息，而在另一條通路上接收來自其他節(jié)點的信息。圖3-11兩個RS-485端口的全雙工連接圖3-12多個RS-485端口的全雙工連接兩點之間全雙工連接的通信在發(fā)送和接收上都不會存在問題。但當多個節(jié)點共享信號通路時，需要以某種方式對網(wǎng)絡控制權進行管理。這是在全雙工、半雙工連接中都需要解決的問題。RS-232C和RS-485之間的轉(zhuǎn)換可采用相應的轉(zhuǎn)換模塊。3.4USB接口3.4.1USB接口的定義USB（UniversalSerialBus）即通用串行總線，是連接計算機系統(tǒng)與外部設備的一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規(guī)范。USB總線接口從USB1.0、USB1.1、USB2.0發(fā)展到現(xiàn)在的最新版本USB3.0，在發(fā)展過程中新舊版本都保持著良好的兼容性，這也是USB迅速發(fā)展成為計算機標準擴展接口的重要原因。目前，Windows系統(tǒng)自帶USB驅(qū)動程序以識別USB外部設備，使用起來非常方便。USB不同版本的主要區(qū)別在最大傳輸速率上，目前最常用的是USB2.0和超高速USB3.0。下面以USB2.0A型插頭為例，介紹其引腳功能。USB2.0A型插座和插頭的示意圖如圖3-13所示。圖3-13USB2.0A型插座和插頭示意圖各引腳功能介紹如下：VBUS：引腳1，為USB接口的+5V電源。D-：引腳2，為USB差分負信號數(shù)據(jù)線。D+：引腳3，為USB差分正信號數(shù)據(jù)線。GND：引腳4，為USB接口的地線。3.4.2USB接口的特點USB接口具有以下特點：①可熱插拔。用戶可以在計算機正常工作的情況下任意連接或斷開USB設備。②高速串行數(shù)據(jù)通信。USB總線接口通信采用的是串行通信的方式，具有高速傳輸能力。其中USB2.0采用的是半雙工通信方式，而USB3.0采用的是全雙工通信方式，大大加快了傳輸速度。③數(shù)據(jù)傳輸模式多樣。USB接口支持4種傳輸模式：控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和塊傳輸。不同的USB設備可根據(jù)自身特點選擇不同的傳輸模式。④連接靈活。一個USB控制器理論上可以連接多達127個外設。3.4.3USB接口的應用隨著計算機技術的不斷發(fā)展，新的計算機外設大量涌現(xiàn)，USB接口以其顯著的優(yōu)勢迅速在計算機接口領域占據(jù)了主導地位。目前USB接口已成為臺式機、筆記本電腦、平板電腦的標準接口，并且越來越多的外部設備采用了USB接口，例如鼠標、鍵盤、打印機、數(shù)字電視、U盤、移動硬盤、手機、數(shù)據(jù)采集卡等。3.5Modbus通信協(xié)議3.5.1概述Modbus協(xié)議是應用于PLC或其他控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）和其他設備之間可以實現(xiàn)串行通信。該協(xié)議已經(jīng)成為通用工業(yè)標準。采用Modbus協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能識別使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了控制器請求訪問其他設備的過程，如何響應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格式和內(nèi)容的公共格式。3.5.1概述標準的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接器的引腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蛲ㄟ^調(diào)制解調(diào)器組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥?從技術，即僅某一設備（主設備）能主動傳輸（查詢），其他設備（從設備）根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)作出響應。典型的主設備有：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響應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何響應。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(shù)據(jù)、一個錯誤檢測域。從設備響應消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要動作的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和一個錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(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響應發(fā)送出去。1．Modbus網(wǎng)絡上傳輸3.5.1概述在其他網(wǎng)絡上，控制器使用“對等”技術通信，任何控制器都能初始化和其他控制器的通信。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(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。在消息級，Modbus協(xié)議仍提供了主-從原則，盡管網(wǎng)絡通信方法是“對等”的。如果一個控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到響應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一從設備響應格式并返回給發(fā)送的控制器。2．其他類型網(wǎng)絡上傳輸3．查詢-響應周期（1）查詢查詢消息中的功能代碼告知被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)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(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告知從設備的信息：從何種寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。（2）響應如果從設備產(chǎn)生一正常的響應，在響應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應。數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的數(shù)據(jù)，像寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出響應消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)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(nèi)容是否可用。3.5.2兩種傳輸方式控制器能設置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。ASCII模式如圖3-14所示，RTU模式如圖3-15所示。圖3-14ASCII模式圖3-15RTU模式所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網(wǎng)絡，它定義了在這些網(wǎng)絡上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其他網(wǎng)絡上（如MAP和ModbusPlus），Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關的幀。3.5.3Modbus消息幀兩種傳輸模式中（ASCII或RTU），傳輸設備可以將Modbus消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就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能將錯誤設置為返回結(jié)果。使用ASCII模式，消息以冒號“：”字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符（ASCII碼0DH，0AH）結(jié)束。其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0~9，A~F。網(wǎng)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）來判斷是否是發(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1s，否則接收的設備將認為傳輸錯誤。一個典型消息幀如圖3-16所示。1．ASCII幀圖3-16ASCII消息幀3.5.3Modbus消息幀使用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(wǎng)絡波特率下設置多個字符時間（比如圖3-15中的T1-T2-T3-T4），這是最容易實現(xiàn)的。傳輸?shù)牡谝粋€域是設備地址，可以使用的傳輸字符是十六進制的0~9，A~F。網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包括停頓間隔時間。當?shù)谝粋€域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否是發(fā)給自己的。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注了消息的結(jié)束，一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符的停頓時間，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(nèi)接著前一個消息開始，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。一個典型的消息幀如圖3-17所示。2．RTU幀圖3-17RTU消息幀3.5.3Modbus消息幀消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8bit（RTU）。允許的從設備地址是0~247（十進制）。單個從設備的地址范圍是1~247。主設備通過將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)送響應消息時，它把自己的地址放入響應的地址域中，以便主設備知道是哪一個設備作出的響應。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設備都能識別。當Modubs協(xié)議用于更高級的網(wǎng)絡時，廣播可能不允許或以其他方式代替。3．地址域4．功能域消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII）或8bit（RTU）。允許的代碼范圍是十進制的1~255。當然，有些代碼是適用于所有控制器的，有些只適用于某種控制器，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?qū)⒏嬷獜脑O備需要執(zhí)行哪些動作。例如去讀取輸入的開關狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗在從設備中的程序等。當從設備響應時，它使用功能代碼域來指示是正常響應（無誤）還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異常響應）。對正常響應，從設備僅響應相應的功能代碼。對異常響應，從設備返回一個在正常功能代碼的最高位置1的代碼。3.5.3Modbus消息幀數(shù)據(jù)域是由兩位十六進制數(shù)構(gòu)成的，范圍為00H~FFH。根據(jù)網(wǎng)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。主設備發(fā)給從設備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設備必須采用該信息執(zhí)行由功能代碼所定義的動作。這包括了像不連續(xù)的寄存器地址，要處理項目的數(shù)量，域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。5．數(shù)據(jù)域6．錯誤檢測域標準的Modbus網(wǎng)絡有兩種錯誤檢測方法，錯誤檢測域的內(nèi)容與所選的傳輸模式有關。（1）ASCII當選用ASCII模式作字符幀，錯誤檢測域包含兩個ASCII字符。這是使用LRC（縱向冗余檢測）方法對消息內(nèi)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。（2）RTU當選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16bit值（用兩個8位的字符來實現(xiàn)）。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗余檢測方法得出的。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)。3.5.3Modbus消息幀當消息在標準的Modbus系列網(wǎng)絡上傳輸時，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，位順序如圖3-18所示。7．字符的連續(xù)傳輸有奇偶校驗無奇偶校驗使用RTU字符幀時，位順序如圖3-19所示。有奇偶校驗無奇偶校驗3.5.4錯誤檢測方法標準的Modbus串行網(wǎng)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(chǎn)生的，從設備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。退出傳輸前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響應。如果從設備檢測到一傳輸錯誤，消息將不會接收，也不會向主設備作出響應。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消息也會產(chǎn)生超時。1．奇偶校驗用戶可以配置控制器是奇校驗還是偶校驗，或無校驗。這將決定每個字符中的奇偶校驗位是如何設置的。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域檢測消息域中除開始的冒號及結(jié)束的回車換行符以外的內(nèi)容。LRC域包含一個8位二進制數(shù)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，如果兩值不相等，說明有錯誤。LRC方法是將消息中的8bit的字節(jié)連續(xù)累加，不考慮進位。3.5.4錯誤檢測方法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域檢測整個消息的內(nèi)容。CRC域是兩個字節(jié)，包含一個16位的二進制數(shù)。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，則有錯誤。CRC是先調(diào)入一數(shù)值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8bit字節(jié)和當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產(chǎn)生過程中，每個8bit字符都單獨和寄存器內(nèi)容相或（OR），結(jié)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相或，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8bit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，然后加入高字節(jié)。3.5.5Modbus的編程方法由RTU模式消息幀格式可以看出，在完整的一幀消息開始傳輸時，必須和上一幀消息之間至少有3.5個字符時間的間隔，這樣接收方在接收時才能將該幀作為一個新的數(shù)據(jù)幀接收。另外，在本數(shù)據(jù)幀進行傳輸時，幀中傳輸?shù)拿總€字符之間必須不能超過1.5個字符時間的間隔，否則，本幀將被視為無效幀，但接收方將繼續(xù)等待和判斷下一次3.5個字符的時間間隔之后出現(xiàn)的新一幀并進行相應的處理。因此，在編程時首先要考慮1.5個字符時間和3.5個字符時間的設定和判斷。3.5.5Modbus的編程方法在RTU模式中，1個字符時間是指按照用戶設定的波特率傳輸一個字節(jié)所需要的時間。例如，當傳輸波特率為2400bit/s時，1個字符時間為：11×1/2400=4583μs同樣，可得出1.5個字符時間和3.5個字符時間分別為：11×1.5/2400=6875μs11×3.5/2400=16041μs為了節(jié)省定時器，在設定這兩個時間段時可以使用同一個定時器，定時時間取為1.5個字符時間和3.5個字符時間的最大公約數(shù)即0.5個字符時間，同時設定兩個計數(shù)器變量為m和n，用戶可以在需要開始啟動時間判斷時將m和n清零。而在定時器的中斷服務程序中，只需要對m和n分別做加一運算，并判斷是否累加到3和7。當m=3時，說明1.5個字符時間已到，此時可以將1.5個字符時間已到標志T15FLG置成01H，并將m重新清零；當n=7時，說明3.5個字符時間已到，此時將3.5個字符時間已到標志T35FLG置成01H，并將n重新清零。波特率從1200bit/s至19200bit/s，定時器定時時間均采用此方法計算而得。當波特率為38400bit/s時，Modbus通信協(xié)議推薦此時1個字符時間為500μs，即定時器定時時間為250μs。1．字符時間的設定3.5.5Modbus的編程方法在實現(xiàn)Modbus通信時，設每個字節(jié)的一幀信息需要11位，其中1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、2位停止位、無校驗位。通過串行口的中斷接收數(shù)據(jù)，中斷服務程序每次只接收并處理一字節(jié)數(shù)據(jù)，并啟動定時器實現(xiàn)時序判斷。在接收新一幀數(shù)據(jù)時，接收完第一個字節(jié)之后，置一幀標志FLAG為0AAH，表明當前存在一有效幀正在接收，在接收該幀的過程中，一旦出現(xiàn)時序不對，則將幀標志FLAG置成55H，表明當前存在的幀為無效幀。其后，接收到本幀的剩余字節(jié)仍然放入接收緩沖區(qū)，但標志FLAG不再改變，直至接收到3.5字符時間間隔后的新一幀數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)，主程序即可根據(jù)FLAG標志判斷當前是否有有效幀需要處理。Modbus數(shù)據(jù)串行口接收中斷服務程序如圖3-20所示。2．數(shù)據(jù)幀接收的編程方法3.5.5Modbus的編程方法2．數(shù)據(jù)幀接收的編程方法圖3-20Modbus數(shù)據(jù)串行口接收中斷服務程序結(jié)構(gòu)框圖3.6PMM2000電力網(wǎng)絡儀表及其應用3.6.1PMM2000電力網(wǎng)絡儀表Modbus-RTU通信協(xié)議PMM2000電力網(wǎng)絡儀表Modbus-RTU通信協(xié)議詳細介紹如下。1.串口初始化參數(shù)串行通信方式：2位停止位、8位數(shù)據(jù)位、無校驗位，RS-485ModbusRTU。波特率支持：1200bit/s，2400bit/s，4800bit/s，9600bit/s，19200bit/s， 38400bit/s。默認地址：0x06。波特率：9600bit/s。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡儀表Modbus-RTU通信協(xié)議2．開關量輸入功能號：0x02（1）發(fā)送數(shù)據(jù)開關量輸入0X02命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表3-3所示。表3-3開關量輸入0X02命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式（2）正常響應數(shù)據(jù)開關量輸入0X02命令正常響應數(shù)據(jù)格式如表3-4所示。表3-4開關量輸入0X02命令正常響應數(shù)據(jù)格式注：如果N/8余數(shù)為0，則N*=N/8，否則N*=N/8+1。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡儀表Modbus-RTU通信協(xié)議2．開關量輸入例子：○1讀取當前開關量輸入狀態(tài)（DI1~DI4）共四路，其中DI1=“1”，DI4=“1”（閉合）；DI2，DI3=“0”（斷開）。（讀到的數(shù)據(jù)應為09H，即“00001001”）主機發(fā)送數(shù)據(jù)：060200000004CRCCRC從機正常響應數(shù)據(jù)：06020109CRCCRC上傳數(shù)據(jù)中：09H為DI1~DI4狀態(tài)；Bit0~Bite3對應DI1~DI4。○2讀取當前開關量輸入狀態(tài)（DI1~DI16）共十六路，其中DI1=“1”，DI4=“1”（閉合）；DI8=“1”（閉合）；DI9=“1”，DI11=“1”（閉合），其余斷開。（讀到的數(shù)據(jù)應為05H89H，即“0000010110001001”）主機發(fā)送數(shù)據(jù)：06020000000CCRCCRC從機正常響應數(shù)據(jù)：0602020589CRCCRC上傳數(shù)據(jù)中：89H為DI1~DI8狀態(tài)；Bit0~Bite7對應DI1~DI8；

05H為DI9~DI12狀態(tài)；Bit0~Bite3對應DI9~DI12。3.6.1

PMM2000電力網(wǎng)絡儀表Modbus-RTU通信協(xié)議3．繼電器控制繼電器地址從0x0000開始。功能號：0x05輸出值：“FF00”為控制繼電器“合”；

“0000”為控制繼電器“分”。（1）發(fā)送數(shù)據(jù)繼電器輸出0X05命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表3-5所示。表3-5繼電器輸出0X05命令發(fā)送數(shù)據(jù)格式3.6.1PMM2000電力網(wǎng)絡儀表Modbus-RTU通信協(xié)議3．繼電器控制（2）正常響應數(shù)據(jù)繼電器輸出0X05命令正常響應數(shù)據(jù)格式如表3-6所示。表3-6繼電器輸出0X05命令正常響應數(shù)據(jù)格式例子：繼電器2當前狀態(tài)為“開”狀態(tài)，控制繼電器2輸出“合”狀態(tài)