工業(yè)系統(tǒng)中常用通訊協(xié)議.ppt

1、自控系統(tǒng)中常用通訊MODBUS協(xié)議2009年1月15日,EIA Electronic Industries Association美國電子工業(yè)協(xié)會(huì) TIATelecommunications Industry Association電信工業(yè)協(xié)會(huì) OSIOpen System Interconnection開放系統(tǒng)互聯(lián) MODBUSMODICOM 公司定義的通訊協(xié)議 ADUApplication Data Unit應(yīng)用數(shù)據(jù)單元 PDUProtocol Data Unit協(xié)議數(shù)據(jù)單元 HDLCHigh Data Link Control高級數(shù)據(jù)鏈路控制 IPInternet Protocol互聯(lián)網(wǎng)

2、協(xié)議 TCPTransport Control Protocol傳輸控制協(xié)議 CSMA/CDCarrier Sense Multiple Access/Collision Detect載波監(jiān)聽多路訪問/ 沖突檢測 IEEE754浮點(diǎn)數(shù)表示標(biāo)準(zhǔn),名 詞,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型 MODBUS協(xié)議 串行接口 SI RS485可靠性,網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)模型 Network Model,通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型OSI（一） Open System Interconnect,7、應(yīng)用層(Application Layer) 應(yīng)用層確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)，以滿足用戶的需要。不僅要提供應(yīng)用進(jìn)程所需要的信息交換和遠(yuǎn)程操作，而且還要作為應(yīng)

3、用進(jìn)程的用戶代理，為完成一些為進(jìn)行信息交換所必需的功能。應(yīng)用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。典型的協(xié)議:Telnet FTP HTTP SNMP 6、表示層(Presentation Layer) 主要用于處理兩個(gè)通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。它包括數(shù)據(jù)格式交換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等功能。 5、會(huì)話層(Session Layer) 在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立端連接。此服務(wù)包括建立連接是以全雙工還是以半雙工的方式進(jìn)行設(shè)置，盡管可以在層4中處理雙工方式 。本層管理主機(jī)之間的會(huì)話進(jìn)程，負(fù)責(zé)建立、管理、終止進(jìn)程之間的會(huì)話。會(huì)話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。,通訊網(wǎng)絡(luò)

4、結(jié)構(gòu)模型OSI（二） Open System Interconnect,4、傳輸層(Transport Layer) 傳輸層負(fù)責(zé)將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。傳輸層還要處理端到端的差錯(cuò)控制和流量控制問題。包括全雙工或半雙工、流控制和錯(cuò)誤恢復(fù)服務(wù)；本層的數(shù)據(jù)稱為“數(shù)據(jù)段”。傳輸層協(xié)議的代表包括：TCP UDP SPX等。 3、網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer) 本層通過尋址來建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接，它包括通過互連網(wǎng)絡(luò)來路由和中繼數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇。本層的數(shù)據(jù)稱為“數(shù)據(jù)包”。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的代表包括：IP IPX RIP OSPF等,通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型O

5、SI（三） Open System Interconnect,2、數(shù)據(jù)鏈路層(DataLink Layer) 在此層將數(shù)據(jù)分幀，并處理流控制。指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等。本層的數(shù)據(jù)稱為“數(shù)據(jù)幀”。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。 1、物理層 (Physical Layer) 物理層的主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以便透明的傳送比特流。規(guī)定了激活、維持、關(guān)閉通信端點(diǎn)之間的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為比特（bit）。物理層定義的典型規(guī)范代表包括：EIA/TI

6、A RS-232,EIA/TIA RS-449,V.35,RJ-45；,MODBUS 標(biāo) 準(zhǔn) 分 類,MODBUS分為兩種： 串行鏈路上的MODBUS (MODBUS on Serial Line) TCP/IP上的MODBUS (MODBUS on TCP/IP),串行鏈路上的MODBUS TIA/EIA-232-F TIA/EIA-485-A,TCP/IP 上的 MODBUS RFC793和RFC791,MODBUS on Serial與OSI層次對應(yīng)關(guān)系,MODBUS協(xié)議的各個(gè)層次只采用了OSI層次模型中的三層：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。各層都有各層相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 物理層標(biāo)準(zhǔn)：EIA

7、/TIA-485(或EIA/TIA-232) 數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)：MODBUS Serial Line Protocol MODBUS串行線協(xié)議 應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)：MODBUS Application Protocol MODBUS應(yīng)用協(xié)議,MODBUS on TCP與OSI層次對應(yīng)關(guān)系,MODBUS協(xié)議的各個(gè)層次只采用了OSI層次模型中的三層：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。各層都有各層相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 物理層：在多種物理媒體上以多種速率采用 CSMA/CD 訪問方式 10Base2,10Base5,10BaseTX,10BaseFX 數(shù)據(jù)鏈路層：IEEE 802.3 邏輯鏈路控制 LLC (Logica

8、l Link Control)子層媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。 應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)：MODBUS Application Protocol MODBUS應(yīng)用協(xié)議,MODBUS典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),MODBUS協(xié) 議,定義與PDU結(jié)構(gòu),定義：MODBUS協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，用于在通過不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)所連接的設(shè)備之間的客戶機(jī)/服務(wù)器通訊。 MODBUS協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通訊層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU),PDU由通訊發(fā)起方負(fù)責(zé)創(chuàng)建，發(fā)起方在協(xié)議定義中稱為客戶機(jī) 通訊接收方負(fù)責(zé)對PDU的應(yīng)答，通訊接收方在協(xié)議定義中稱為服務(wù)器 一次的通訊過程稱為事務(wù)處

9、理,MODBUS on SerialPDU長度為253字節(jié) MODBUS on TCPPDU長度為249字節(jié),無錯(cuò)誤的事務(wù)處理過程事務(wù)正常完成，服務(wù)器返回客戶機(jī)所需的數(shù)據(jù),錯(cuò)誤的事務(wù)處理過程事務(wù)異常完成，服務(wù)器返回錯(cuò)誤代碼指示錯(cuò)誤原因。 設(shè)置請求功能碼的MSB為1，因此一般情況下MODBUS協(xié)議中80H以上功能碼保留。,功能碼 (FUNCTION CODE) 功能碼定義某一個(gè)PDU的功能 分為公共功能碼和用戶功能碼 公共功能碼唯一的被較好定義的MODBUS組織認(rèn)可的功能碼 用戶功能碼不保證唯一的，各用戶不同的。只能定義6572和100110范圍內(nèi)的功能碼。,常用的功能碼01H,02H,03H,

10、04H,05H,06H,16H,23H等,常用數(shù)據(jù)類型 (Data Type) bit比特類型，通常用于表示開關(guān)量狀態(tài)。 WORD字類型，通常表示一個(gè)數(shù)。 浮點(diǎn)數(shù)可以采用IEEE754格式，其長度為32bits。占2個(gè)字長。在顯示時(shí)，注意高低位是否需要交換。,MODBUS RTU報(bào)文(PDU)格式 (Format of MODBUS RTU PDU),在不同的模式下，PDU的內(nèi)容是不一樣的。 RTU模式每個(gè)字節(jié)為1個(gè)16進(jìn)制的數(shù)(0FFH) ASCII模式每個(gè)字節(jié)為ASCII碼(09，AF),RTU模式下的報(bào)文(PDU)內(nèi)容 請求PDU 正常應(yīng)答PDU 異常應(yīng)答PDU,異常錯(cuò)誤子碼1 (Err

11、or Sub Code ),異常錯(cuò)誤子碼2 (Error Sub Code 2),串行接口 （Serial Interface）,MODBUS主/從站協(xié)議基本原理,MODBUS串行鏈路協(xié)議與OSI模型的對應(yīng)關(guān)系,MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主從協(xié)議，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，子節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)； 在任何時(shí)刻，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上有且只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)存在，有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)（地址1247）。子節(jié)點(diǎn)在沒有收到主節(jié)點(diǎn)的請求時(shí)，是沉默的。任何時(shí)刻，子節(jié)點(diǎn)之間是互相沉默的。,MODBUS主/從站協(xié)議基本原理,通訊模式,主站與從站之間有兩種通訊模式,單播模式主節(jié)點(diǎn)指定地址的方式請求數(shù)據(jù)，子節(jié)點(diǎn)根據(jù)請求，向主節(jié)點(diǎn)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在這種

12、情況下，MODBUS通訊事務(wù)只包含2個(gè)報(bào)文（主節(jié)點(diǎn)請求報(bào)文和子節(jié)點(diǎn)應(yīng)答報(bào)文）。 子節(jié)點(diǎn)在單播模式中的地址必須在網(wǎng)絡(luò)上是唯一的(1247）。,多播模式主節(jié)點(diǎn)對所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行請求，子節(jié)點(diǎn)沉默，僅僅根據(jù)請求完成相應(yīng)的自身功能。在這種情況下，MODBUS通訊事務(wù)只包含1個(gè)報(bào)文（主節(jié)點(diǎn)請求報(bào)文）。 子節(jié)點(diǎn)在多播模式下地址可以不用考慮，但是子節(jié)點(diǎn)必須能夠相應(yīng)地址0的請求。0在協(xié)議中定義為多播地址。,MODBUS地址規(guī)則,MODBUS地址范圍地址域長度為1字節(jié)，因此可能的尋址范圍0255,MODBUS協(xié)議規(guī)定地址范圍 廣播地址用于向所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行請求（0） 子節(jié)點(diǎn)地址同一網(wǎng)絡(luò)中唯一表示子節(jié)點(diǎn)的地址（1247

13、） 保留地址MODBUS協(xié)議保留的地址（248255）,協(xié)議規(guī)定 所有子節(jié)點(diǎn)必須識(shí)別廣播地址0 主節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上沒有也不需要地址,MODBUS 數(shù) 據(jù) 幀,MODBUS是應(yīng)用層協(xié)議，只定義協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。,MODBUS on Serial是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，需要定義目的地址和差錯(cuò)效驗(yàn)等功能，因此定義了應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU。,根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的不同，ADU的內(nèi)容是不同的。,MODBUS主/從站狀態(tài)圖,主站狀態(tài)圖,“空閑“無等待的請求“等待應(yīng)答“請求發(fā)出后的狀態(tài) “應(yīng)答檢查”檢查應(yīng)答數(shù)據(jù)“錯(cuò)誤處理“應(yīng)答錯(cuò)誤處理 “處理應(yīng)答”處理正常的應(yīng)答數(shù)據(jù),MODBUS主/從站狀態(tài)圖,從站狀態(tài)圖,“空閑“無等待

14、的請求“檢查請求“請求發(fā)出后的狀態(tài) “格式化正常應(yīng)答”形成正常應(yīng)答數(shù)據(jù)并發(fā)送，分單播模式和多播模式 “格式化錯(cuò)誤應(yīng)答”形成錯(cuò)誤應(yīng)答數(shù)據(jù)并發(fā)送 “非本節(jié)點(diǎn)地址”請求地址不是本節(jié)點(diǎn)地址，忽略請求，回到空閑狀態(tài),RTU模式 允許字符：0 x00h0 xFFh 8位二進(jìn)制位(bit) 1位起始位 1位奇偶校驗(yàn)位 1/1.5位停止位 奇偶校驗(yàn)位可選 LSB-MSB 最大幀長：256字節(jié)，數(shù)據(jù)長度252字節(jié),ASCII模式 允許字符：09，AF 7位數(shù)據(jù)位 1位起始位 1位奇偶校驗(yàn)位 1位停止位 奇偶校驗(yàn)位可選 LSB-MSB 最大幀長：256字節(jié)，數(shù)據(jù)長度是RTU模式的2倍,兩種MODBUS串行模式,R

15、TU模式 起始字符：3.5字符 地址域：1 Byte，尋址范圍0247 功能碼域：1 Byte，0 x00h0 xFFh 數(shù)據(jù)域：N Bytes，最長252Bytes 效驗(yàn)域：2 Bytes (1 Word)，CRC方式 CRC循環(huán)冗余效驗(yàn)(Cyclical Redundancy Checking) 結(jié)束字符： 3.5字符,ASCII 模式 起始字符：1字符，: (冒號) 地址域：2個(gè)字符 功能碼域：2個(gè)字符，00FF(char) 數(shù)據(jù)域： 最長2522字符 效驗(yàn)域：2 字符，LRC方式 LRC縱向冗余效驗(yàn)(Longitudinal Redundancy Checking) 結(jié)束字符： CR.

16、LF(回車和換行符)，2字符,M O D B U S 報(bào) 文 幀,RTU模式下的數(shù)據(jù)流,RTU方式?jīng)]有明顯的起止符號，因此必須規(guī)定時(shí)間的要求 由發(fā)送設(shè)備將Modbus 報(bào)文構(gòu)造為帶有已知起始和結(jié)束標(biāo)記的幀。這使設(shè)備可以在報(bào)文的開始接收新幀，并且知道何時(shí)報(bào)文結(jié)束。 不完整的報(bào)文必須能夠被檢測到，錯(cuò)誤標(biāo)志必須作為結(jié)果被設(shè)置。 在 RTU 模式，報(bào)文幀由時(shí)長至少為3.5 個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分。這個(gè)時(shí)間區(qū)間通常被稱作t3.5。,MODBUS差錯(cuò)控制,RTU模式 循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 由兩個(gè)8 位字節(jié)組成的一個(gè)16 位值 CRC 域檢

17、驗(yàn)整個(gè)報(bào)文的內(nèi)容 報(bào)文中附加低字節(jié)，然后是高字節(jié),ASCII模式 縱向冗余校驗(yàn) (LRC - Longitudinal Redundancy Checking) LRC 為一個(gè)8 位二進(jìn)制值 檢驗(yàn)包括除起始“冒號”和結(jié)尾 CRLF的整個(gè) ASCII 報(bào)文域的內(nèi)容,差錯(cuò)控制方法 奇偶校驗(yàn) (偶或奇) 每個(gè)字符采用 幀檢驗(yàn) (LRC or CRC) 整個(gè)報(bào)文 報(bào)文有無奇偶校驗(yàn)，均執(zhí)行幀檢驗(yàn),物理層電氣接口,MODBUS協(xié)議默認(rèn)的通訊速率：19200bps 可用速率：4800bps115Kbps 每種波特率 對發(fā)送方，要求其精度必須高于1%，即1900819392bps 對接收方，必須允許2%誤差，

18、即1881619584bps 常用速率：9600bps(Micro-motion默認(rèn)速率),電氣物理接口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),有源接口和無源接口 電氣接頭分為幾種： 主干接口主干間接口ITr 分支接口設(shè)備與無源接口之間的接口IDv 附件單元接口設(shè)備與有源接口的接口AUI 主要連接方式：RS485，RS422，RS232,電氣物理接口2線MODBUS定義,串行鏈路上的MODBUS依照EIA/TIA-485 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)“2-線”電氣接口 在這個(gè)2 線-總線上，在任何時(shí)候只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器有權(quán)發(fā)送信號 第三條導(dǎo)線把總線上所有設(shè)備相互連接：公共地,電氣物理接口4線MODBUS定義,從對總線（TXD1-TXD0）上接收來

19、自從站的數(shù)據(jù)， 主對總線（RXD1-RXD0）上發(fā)送數(shù)據(jù)，由從站接收,電氣物理接口多點(diǎn)系統(tǒng)需求,多點(diǎn)系統(tǒng)需求 無中繼器情況下，最大設(shè)備數(shù)量：32臺(tái) 無配置中繼器的RS-485 MODBUS 有一個(gè)主干電纜，所有的從設(shè)備沿著它直接（菊花鏈）或通過短的分支電纜連接起來 長度主干電纜端到端的長度必須有限制。其長度由波特率，電纜（規(guī)格，電容或特征阻抗），菊花鏈上的負(fù)載數(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)配置（2線或4線制）所決定 接地公共地電路（信號與可選電源公共地）必須直接連到保護(hù)地上，最好是整條總線只接在一點(diǎn) 終端電阻沿線路傳播的移動(dòng)信號波遇到不連續(xù)的阻抗，造成在傳輸線路中的反射。為了使在RS-485電纜終端的反射最小，

20、需要在接近總線兩端點(diǎn)處放置線路終端。,機(jī)械物理接口,各種物理連接器的接線定義,電纜連接要求,RS485-MODBUS 必須使用一對平衡對線(用于D0-D1)，第三根導(dǎo)線(用于公共地) 在4 線-MODBUS 系統(tǒng)中還必須使用第二對平衡對線（用于RXD0-RXD1）。 對RS485-MODBUS，必須選擇足夠大的連線直徑以達(dá)到最大長度（1000m） AGW24對MODBUS數(shù)據(jù)總是滿足的 在RS485-MODBUS 中使用第5 類電纜，最大長度可達(dá)600m. 在RS485-系統(tǒng)中使用的平衡對線，建議特征阻抗高于100歐姆,MODBUS 串行鏈路電纜必須屏蔽,RS485可靠性 （RS485 Rel

21、iability） RS485電氣特性 常見問題及處理,RS485可靠性電氣特性 （Electronic Characteristic）,RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線。規(guī)格要求： 1、接收器的輸入電阻Rin12k 2、驅(qū)動(dòng)器能輸出7V的共模電壓 3、輸入端的電容Cin50pF 4、在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)） 5、接收器的輸入靈敏度為200mV 即(V+)-(V-)200V，表示信號0；(V+)-(V-)200mV，表示信號1,RS485可靠性,在工業(yè)控制領(lǐng)域，由于

22、現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電 壓。雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力， 但當(dāng)共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓（即大于+12V或小于-7V時(shí)）， 接收器就再也無法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。 用一對雙絞線將各個(gè)接口的A、B端連接起來，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號并不需要對于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測信號系統(tǒng)，只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7V至+12V)的條件下才能正常工作。當(dāng)共模電

23、壓超出此范圍，就會(huì)影響通信的可靠直至損壞接口。當(dāng)發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)存在著地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。 解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離；通過光耦將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。實(shí)現(xiàn)此方案的途徑可分為： 光隔離器(光耦)、集成芯片。 用1條線或者屏蔽線將所有485設(shè)備的GND地連接 這樣可以避免所有設(shè)備之間存在影響通訊的電勢差。,RS485可靠性常見問題一,1、信號A和B的判斷。 B線應(yīng)該永遠(yuǎn)是在空閑狀態(tài)下電壓更高的那一根。A線相當(dāng)于,B線相當(dāng)于+?？稍诰W(wǎng)絡(luò)空閑的狀態(tài)下用電壓表檢測。如果B線沒有比A線電壓更高，那么就會(huì)存在連接問題。,2、若出現(xiàn)系統(tǒng)完全癱瘓，大多因?yàn)槟彻?jié)點(diǎn)芯片的VA、VB對電源擊穿，使用萬用表 測VA、VB間差模電壓為零，而對地的共模電壓大于3V，此時(shí)可通