modbus通訊協(xié)議開發(fā)

Modbus通訊協(xié)議已有165次閱讀2013-11-2011:15

|個人分類:軟件|系統(tǒng)分類:單片機

Modbus通訊協(xié)議

ModBus即Modbus通訊協(xié)議（Modbus通訊協(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，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。

目錄

1Modbus協(xié)議簡介

2Modbus的特點

2.1

在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸

2.2

在其它類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸

2.3

查詢—回應(yīng)周期

3兩種傳輸方式

1Modbus協(xié)議簡介

為更好地普及和推動Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA（InterfaceforDistributedAutomation，分布式自動化接口）組織，并成立了Modbus-IDA組織，為Modbus今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在中國，Modbus已經(jīng)成為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。據(jù)不完全統(tǒng)計：截止到2007年，Modbus的節(jié)點安裝數(shù)量已經(jīng)超過了1000萬個。

Modbus協(xié)議是應(yīng)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(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)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(nèi)容的公共格式。

當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。

2Modbus的特點

Modbus具有以下幾個特點：

（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)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。

（2）Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

（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。

在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸

標(biāo)準(zhǔn)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、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)。

控制器通信使用主—從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備：主機和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。

主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。

從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

在其它類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸

在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對等技術(shù)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(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。

在消息位，Modbus協(xié)議仍提供了主—從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。

查詢—回應(yīng)周期

（1）查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)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(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

（2）回應(yīng)

如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：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(yīng)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(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。

3兩種傳輸方式

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)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(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)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。

在其它網(wǎng)絡(luò)上（象MAP和ModbusPlus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。

1．ASCII模式

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為一個ASCII碼（兩個十六進制字符）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(chǎn)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(shù)據(jù)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、RTU模式

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)。

代碼系統(tǒng)

8位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F

消息中的每個8位域都是一或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(shù)據(jù)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)

CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)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(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)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8位字符都單獨和寄存器內(nèi)容相異或（XOR），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(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當(dāng)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(shù)如下：

unsignedshortCRC16(puchMsg,usDataLen)

unsignedchar*puchMsg;/*要進行CRC校驗的消息*/

unsignedshortusDataLen;/*消息中字節(jié)數(shù)*/

{

unsignedcharuchCRCHi=0xFF;/*高CRC字節(jié)初始化*/

unsignedcharuchCRCLo=0xFF;/*低CRC字節(jié)初始化*/

unsigneduIndex;/*CRC循環(huán)中的索引*/

while(usDataLen--)/*傳輸消息緩沖區(qū)*/

{

uIndex=uchCRCHi^*puchMsg++;/*計算CRC*/

uchCRCHi=uchCRCLo^auchCRCHi[uIndex];

uchCRCLo=auchCRCLo[uIndex];

}

return((uchCRCHi<<8)|uchCRCLo);

}

/*CRC高位字節(jié)值表*/

staticunsignedcharauchCRCHi[]={

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

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

0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,

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

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

0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,

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

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

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

0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,

0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,

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

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

0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,

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

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

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

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

0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,

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

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

0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,

0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,

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

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

0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40

};

/*CRC低位字節(jié)值表*/

staticcharauchCRCLo[]={

0x00,0xC0,0xC1,0x01,0xC3,0x03,0x02,0xC2,0xC6,0x06,

0x07,0xC7,0x05,0xC5,0xC4,0x04,0xCC,0x0C,0x0D,0xCD,

0x0F,0xCF,0xCE,0x0E,0x0A,0xCA,0xCB,0x0B,0xC9,0x09,

0x08,0xC8,0xD8,0x18,0x19,0xD9,0x1B,0xDB,0xDA,0x1A,

0x1E,0xDE,0xDF,0x1F,0xDD,0x1D,0x1C,0xDC,0x14,0xD4,

0xD5,0x15,0xD7,0x17,0x16,0xD6,0xD2,0x12,0x13,0xD3,

0x11,0xD1,0xD0,0x10,0xF0,0x30,0x31,0xF1,0x33,0xF3,

0xF2,0x32,0x36,0xF6,0xF7,0x37,0xF5,0x35,0x34,0xF4,

0x3C,0xFC,0xFD,0x3D,0xFF,0x3F,0x3E,0xFE,0xFA,0x3A,

0x3B,0xFB,0x39,0xF9,0xF8,0x38,0x28,0xE8,0xE9,0x29,

0xEB,0x2B,0x2A,0xEA,0xEE,0x2E,0x2F,0xEF,0x2D,0xED,

0xEC,0x2C,0xE4,0x24,0x25,0xE5,0x27,0xE7,0xE6,0x26,

0x22,0xE2,0xE3,0x23,0xE1,0x21,0x20,0xE0,0xA0,0x60,

0x61,0xA1,0x63,0xA3,0xA2,0x62,0x66,0xA6,0xA7,0x67,

0xA5,0x65,0x64,0xA4,0x6C,0xAC,0xAD,0x6D,0xAF,0x6F,

0x6E,0xAE,0xAA,0x6A,0x6B,0xAB,0x69,0xA9,0xA8,0x68,

0x78,0xB8,0xB9,0x79,0xBB,0x7B,0x7A,0xBA,0xBE,0x7E,

0x7F,0xBF,0x7D,0xBD,0xBC,0x7C,0xB4,0x74,0x75,0xB5,

0x77,0xB7,0xB6,0x76,0x72,0xB2,0xB3,0x73,0xB1,0x71,

0x70,0xB0,0x50,0x90,0x91,0x51,0x93,0x53,0x52,0x92,

0x96,0x56,0x57,0x97,0x55,0x95,0x94,0x54,0x9C,0x5C,

0x5D,0x9D,0x5F,0x9F,0x9E,0x5E,0x5A,0x9A,0x9B,0x5B,

0x99,0x59,0x58,0x98,0x88,0x48,0x49,0x89,0x4B,0x8B,

0x8A,0x4A,0x4E,0x8E,0x8F,0x4F,0x8D,0x4D,0x4C,0x8C,

0x44,0x84,0x85,0x45,0x87,0x47,0x46,0x86,0x82,0x42,

0x43,0x83,0x41,0x81,0x80,0x40

};

ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。下表1是ModBus的功能碼定義。

表1ModBus功能碼

01READCOILSTATUS

02READINPUTSTATUS

03READHOLDINGREGISTER

04READINPUTREGISTER

05WRITESINGLECOIL

06WRITESINGLEREGISTER

15WRITEMULTIPLECOIL

16WRITEMULTIPLEREGISTER

ModBus網(wǎng)絡(luò)只是一個主機，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。

（1）ModBus的傳輸方式

在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應(yīng)視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠程終端設(shè)備）這兩種模式的定義見表3

表3ASCII和RTU傳輸模式的特性

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortran）編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于機器語言編程的計算機和PC主機。

用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進制等量值。用以構(gòu)成報文的ASCII字符都是十六進制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產(chǎn)生長達1s的間隔，以適應(yīng)速度較慢的機器。

（2）ModBus的數(shù)據(jù)校驗方式

CRC-16（循環(huán)冗余錯誤校驗）

CRC-16錯誤校驗程序如下：報文（此處只涉及數(shù)據(jù)位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗位）被看作是一個連續(xù)的二進制，其最高有效位（MSB）首選發(fā)送。報文先與X↑16相乘（左移16位），然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進制數(shù)11000，0000，0000，0101。整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報文（MSB先發(fā)送），成為2個CRC校驗字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設(shè)備后再被同一多項式（X↑16+X↑15+X