第三章Modbus协议与现场总线.ppt

3 1Modbus协议Modbus是MODICON公司于1979年开发的一种通讯协议 它是一种在工业领域被广为应用的真正开放 标准的网络通讯协议 已经成为一种电子控制器的通用语言 通过此协议控制器之间可以通讯 已成为一种工业标准 不同厂商生产的控制设备通过Modbus协议可以连成通讯网络 在PLC 变频器 电器设备及自动化仪表等领域都广泛应用Modbus协议 Modbus是链路层的主 从协议 采用请求响 应方式 主站发出带有从站地址的请求报文 具有该地址的从站收到该报文后发出响应报文 第三章Modbus协议与现场总线 Modbus在OSI模型中所使用的层 3 1 1Modbus协议的物理层1 网络结构总线式主从结构主设备 PC机 PLC从设备 PLC 智能仪表一个主站可有1 247个从站 从站之间不能相互通讯 2 通讯方式 a 一对一 主设备可以和从设备通讯 从设备响应 b 一对N 广播 主设备对N个从设备 从设备无响应 0地址表示广播地址 3 物理层支持RS 485 RS 232C CRLF0D0A COLON3A 3 1 2Modbus协议的帧格式 Modbus有两种格式 ASCII格式 RTU格式 1 ASCII码帧格式 用ASCII表示数据 1 字节格式 2 数据表示方法地址 21表示ASCII码32H 31H 2 说明 a 地址域 从设备地址0 247 地址0为广播地址 b 功能域 代码范围1 255 命令从设备执行哪些功能 如读测量值 读开关量状态 c 数据域 两部分内容 主设备到从设备 变量起始地址 变量个数 从设备到主设备 字节数n 数据n d 检错 CRC 16 特征多项式Y X 16 X 15 X 2 1 2 RTU格式 用二进制数表示数据 1 RTU帧格式 3 字节格式 4 帧间隔 异步通讯格式 1个起始位 8个数据位 一个校验位 一个停止位 3 1 3ModBus功能码 说明 从设备将测量值定义到变量中 主设备通过读取不同地址的变量来采集数据 1 Modbus功能码 2 功能码3 读取在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 该功能码主要用于主机采集从机的数据 A 主机命令 读6BH开始的3个寄存器内容 B 从机响应 回传6个字节数据 c 应用层由用户自己定义 3 功能码16 写多个寄存器 主机从01H地址开始写2个寄存器 从机响应主机 3 1 4应用举例题 有某地址为1的从设备 其变量定义如下 例1 主设备用3号命令寻址地址为1的从设备 读取地址为0001H的累积值 主设备命令帧从设备响应帧 变量定义 主机请求 从机响应 流量 寄存器地址 0001H 累积流量 0003H 字节数 2byte 4byte 主 从 地址 功能码 变量地址高 变量数高 CRC校验 01H 03H 00H 00H 变量数低 地址 功能码 01H 03H 字节数 02H 数据1 12H CRC校验 流量 1263H 4707 变量地址低 01H 01H 数据2 63H 例2 主设备用3号命令寻址地址为1的从设备 读取地址为0003H的累积流量 01H 03H 0003H 0002H 地址 功能码 变量地址 变量数 CRC校验 地址 功能码 字节数 数据1 数据2 数据3 数据4 CRC 01H 03H 04H 40H B0H 60H 09H 一个寄存器两个字节4个字节为二个寄存器 从设备响应 主设备命令帧 累积流量值 40B06009H 1085300745 3 1 5CRC 16校验 1 说明 1 生成多项式G x X 16 X 15 X 2 1 11000000000000101 2 生成多项式最高位总是1 所以实际中的生成多项式为1000000000000101 3 Modbus采用逆序生成多项式1010000000000001 4 CRC校验 地址码 功能码 数据CRC本质 移位异或和 2 CRC方法 02 07 3 CRC计算程序 auchCRCHi 0 xFD auchCRCHi 0 x39 auchCRCLo 0 xFD auchCRCLo 0 x39 CRCLo111111111ST00000010XORuIndex11111101auchCRCHi 0 xFD 0 xC1uchCRCHi11111111XOR11000001uchCRCLo00111110uchCRCHi auchCRCLo 0 xFD 100000012ST00000111uchCRCLo00111110XORuIndex00111001auchCRCH 0 x39 0 xC0uchCRCHi100000001110000000XORuchCRCLo010000001 uchCRCHi auchCRCLo 0 x39 0 x12结果0 x1241 3 2HART协议 HART协议以国际标准化组织的开放性互连模型为参照 使用OSI的1 2 7三层 如表所示 分层 OSI层次 HART的层次 7应用层HART命令6表示层未使用5会话层未使用4传输层未使用3网络层未使用2链路层协议规范1物理层Bell202 物理层 a 信号表示方法 b 网络结构 c 使用条件链路层 a 帧结构 b 命令帧 数据帧 应用层HART命令 部分 3 2 1物理层 遵循Bell202FSK技术标准 HART协议使用了FSK技术 在4 20mA模拟信号上叠加了一个幅值为0 5mA的调频信号 由于正弦信号的平均值为0 所以它成功地使模拟信号与数字双向通信能同时进行 而不相互干扰 逻辑 1 1200Hz逻辑 0 2200Hz波特率1200bps 1 逻辑表示方法 HART还可在一根双绞线上以全数字的方式通信 支持15个现场设备的多站网络 2 网络结构 3 使用条件负载电阻RL 170欧姆 问题 1 从设备怎样调制FSK电流2 主机到从机怎样调制电流 起始位 8位数据位 奇校验 停止位 前导码 3字节 SD1字节 AD CD1字节 BC1字节 状态2字节 数据0 24字节 校验1字节 3 2 2HART协议帧格式 1 帧格式 FFFFFF0682010700000640B0000074前导码起始码地址命令数据数状态数据异或和 2 字节格式 1 前导码 3个以上的FFH 实现调制解调器的预同步 2 SD 起始定界码 短帧 地址1BYTE 长帧 地址5BYTE 主设备到从设备02H82H从设备到主设备06H86H 3 HART帧结构说明 82A606BC614E0200XX起始码地址命令数据长度异或和 86A606BC614E020A00004140000042480000XX起始地址命令数据数状态电流百分比异或和 例1主机命令 例2从机响应 b 长帧地址 5byte MA 1主设备 主机 MA 0次主设备手持器 BM BurstMode 0主机查询 BurstMode 1广播方式 生产厂 设备号 设备标识符 D39 D38 D37 D32 D31 D24 D23 D0 MA BM 38位从机地址 D7 MA D6 BM D5 0 D4 0 D3 AD3 D2 AD2 D1 AD1 D0 AD0 3 AD地址 1个字节 a 短帧 6 状态 从机回传主机数据时有状态信息 主到从无状态 2字节 第1个字节表示通迅错误 第2个字节表示通讯状态 7 数据段 0 24个字节数据 数据表示方法用浮点数格式IEEE754 ASCII码 8 Check 从SD开始所有字节的异或和 Check SD AD CD BC 数据 5 BC 字节数主到从命令 数据字节数 从到主命令 状态 2Byte 数据字节数 86A606BC614E020A00004140000042480000XX起始地址命令字节数状态电流百分比异或和 4 CD HART命令 只有一个字节 指明该帧所封装的HART命令号 从设备返回的命令字节值应与主设备所发送的帧中的命令号相同 3 2 3HART命令集 00 031 第一类通用命令 适用HART协议所有产品 例 HART命令0 读转换器唯一标识HART命令1 读主变量HART命令2 读电流和百分比范围HART命令3 读动态参数和电流32 127 第二类普通命令 适用许多现场设备 例 HART命令34 写阻尼时间HART命令35 设量程值128 255 第三类特殊设备命令 各公司自己定义完成特殊功能的命令 例如设置流量计小信号切除等 HART命令128 读仪表参数HART命令129 写仪表参数 1 读唯一标识符 BYTE0 设备类型码BYTE5 设备专用命令版本BYTE1 制造商识别码BYTE6 软件版本号BYTE2 厂商设备类型BYTE7 硬件版本号BYTE3 请求前导码个数BYTE9 11 设备ID码BYTE4 通用命令版本 命令参数 无回传数据 Byte0 单位Byte1 4 变量值 F 例 主机命令FFFFFF0282010081前导码起始定界码地址命令数据字节数异或和从机响应 短帧 FFFFFF0682010700000640B0000074前导码起始码地址命令数据数状态数据异或和 2 读过程主变量 HART命令 01 HART帧 起始 地址 命令 长度 数据 校验 HART命令号 02命令参数 无回传数据 Byte0 3 电流 mA F Byte4 7 量程百分比 F 例 主机命令 长帧 82A606BC614E0200XX起始码地址命令数据长度异或和从机响应 长帧 86A606BC614E020A00004140000042480000XX起始地址命令数据数状态电流百分比异或和 3 读电流值和量程百分比 HART帧 起始 地址 命令 长度 数据 校验 HART命令号 34命令参数 Byte0 3 阻尼时间值 秒 F 回传数据 Byte0 3 阻尼时间值 秒 F 例 设阻尼时间1秒主028222043F80000019从0682220600003F8000001F 4 设置阻尼时间 5 设量程值HART命令号 35命令参数 Byte0 量程单位码Byte1 4 量程上限值 F Byte5 7 量程下限值 F 回传数据 格式同命令参数主机命令0282230901416000003F800000XX从机0682230B000001416000003F800000XX 量程下限 量程上限 HART协议遵循IEEE754单精度浮点数表示法 1 浮点格式 0 1 2 3SEEEEEEEEMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMS 尾数的符号 1 负数 0 正数 E 指数 与十进制数127的差值表示 M 尾数 低23位 小数部分 2 说明 a 当E全为 0 时 b 当E不全 0 时 且不全 1时 3 2 6浮点数表示法 3 举例 a 浮点数3F80000000111111100000000000000000000000 b 浮点数4160000001000001011000000000000000000000 C 浮点数3FE0000000111111111000000000000000000000 4 浮点数转换 0 1 2 3SEEEEEEEEMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMS 尾数的符号 1 负数 0 正数 E 指数 与十进制数127的差值以二进制补码形式表示 M 尾数 低23位 小数部分 unionFloatFig unsignedcharFCB 4 floatBCF floatvalue unsignedcharse m1 m2 m3 unionFloatFigFloatChange FCB 0 FCB 1 FCB 2 FCB 3 BCF FloatChange BCF value se FloatChange FCB 3 m1 FloatChange FCB 2 m2 FloatChange FCB 1 m3 FloatChange FCB 0 b 32位浮点数 4字节 转换为浮点数FloatChange FCB 3 se FloatChange FCB 2 m1 FloatChange FCB 1 m2 FloatChange FCB 0 m3 value FloatChange BCF 注意 浮点数存储的顺序 a 浮点数转换为32位浮点数 4字节 3 2 5单片机与HART接口设计 1 具有HART接口智能仪表组成 1 单片机与HART接口 说明 a INRTX为高电平时 HT2012为调制方式 CPU串行口TXD发出的数据经ITXD由HT2012调制后发出 b INRTX为底电平时 HT2012为解调方式 HT2012接收的FSK信号解调后输入给CPU串口RXD 2 信号调制方式 说明 a 变送器通过C1电容耦合b 手持器通过C2耦合c 取样电阻R1170 R1 450d 开关K控制收发状态 C1 R1 C2 K E 3 恒流源调制 V 输出电压 vi HART调制电压V1 V vi VR1 24 V1 24 V Vi V vi I VR1 R1 V vi R1 V R1 vi R1 I V R1 vi1 R1技术问题 变送器输出4 20mA电流迭加HART调制信号后精度要受影响 产生原因是HART信号不对称耦合后产生误差 24V V V HART调制vi vi V I转换电路 4 20mA R I V1 R1 3 3Profibus协议 3 3 1Profibus的分类Profibus是一种国际性的开放式现场总线标准 它实际上是指一组协议与应用的集合 1 Profibus FMS 车间控制层 中等速度的通讯服务2 Profibus DP 工厂现场层的应用 完成PLC 自动控制设备 传感器 执行器间的快速可靠通讯任务 Profibus DP占Profibus应用的80 Profibus DP DP V0 DP V1 DP V2三个版本3 Profibus PA 主要应用于防爆安全要求高 通讯速度低的过程控制场合 31 25kbps 4 Profinet 是Profibus向工业以太网的发展 其通讯是建立在交换式以太网和TCP IP协议的基础上 3 3 2Profibus DP的物理层 1 RS 485物理传输方式Profibus DP采用RS 485平衡差分传输方式 其传输速率为9 6Kbps 12Mbps 2 电缆及接头 1 电缆 对电缆的特性有严格的规定 其中DP类型电缆为紫色 2 接头 DB9针接头 支持总线型 树型和星型网络拓扑 3 网络拓扑 4 网络连接 Profibus在链路层上 其报文帧仅有4种类型1 SD1 无数据域帧只是用做查询总线上的激活站点 SD1 DA SA FC FCS ED 0 x10 目的地址 源地址 帧类型 帧检查 帧结束 2 SD2 带有固定8字节的数据帧 SD2 DA 功能码 FCS FC 目的地址 DU 0 xA2 SA 源地址 帧结束 数据域 帧检查 ED FCS FrameCheckingSequence 3 3 3Profibus链路层协议 3 SD3 数据域长度可变的帧 SD3 LE LEr SD DA SA FC DU FCS ED 0 x68 数