基于arm的modbus和TCP-CAN总线适配器的硬件设计.doc

毕业论文(设计)题目名称：基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计题目类型： 毕 业 设 计 学生姓名： 梁 鹏 院 (系)： 电子信息学院 专业班级： 自动化10901班 指导教师： 毛玉蓉 辅导教师： 毛玉蓉 时 间：2013年02月27日至2013年6月1日目录长江大学毕业设计（论文）任务书I毕业设计开题报告III长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见VIII长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语IX长江大学毕业论文(设计)答辩会议记录X摘要XIAbstractXII1.前言12 选题背景22.1 课题来源22.2 课题研究内容和关键技术22.3 国内外研究现状与发展趋势23 Modbus和CAN总线技术的介绍53.1 Modbus技术53.1.1总体描述53.1.2 MODBUS数据单元63.1.3 MODBUS通信原理73.1.4 Modbus主站/从站协议原理83.1.5 MODBUS通信网络93.1.6 ASCII模式103.1.7 RTU（Remote Terminal Unit）模式103.2 CAN总线技术113.2.1 控制器局部网(CAN)113.2.2 CAN的性能特点123.2.3 CAN节点的分层结构133.2.4 CAN通信技术143.2.4.1 CAN通信参考模型153.2.4.2 CAN的报文传送与通信帧结构154 Modbus与CAN总线适配器的硬件和软件设计184.1总线适配器的硬件方案设计184.1.1硬件总体设计方案184.1.2主要器件的简介及型号选择184.1.3总线协议适配器Modbus接口电路的设计234.1.4总线协议适配器CAN接口电路的设计244.1.5 以太网接口电路设计274.2总线适配器的软件方案设计284.2.1软件设计284.2.2 Modbus报文帧向CAN数据帧转换的软件设计294.2.3 CAN数据帧向Modbus报文帧转换的软件设计374.2.4 CRC校验的软件实现384.2.5协议适配器参数配置程序的设计405测试方案与测试结果415.1 Modbus与CAN总线协议适配器测试方案415.1.1测试总线协议适配器的Modbus协议向CAN总线转化的功能415.1.2 测试总线适配器的CAN总线向Modbos协议转化的功能425.2实验测试设备425.3 实验测试数据及结果分析445.3.1适配器由Modbus向CAN转换445.3.2 适配器由CAN向Modbus转化456总结与展望48参考文献49致 谢50长江大学毕业设计（论文）任务书学院（系）电子信息学院 专业 班级： 自动化10901 学生姓名 ：梁鹏 指导教师/职称 毛玉蓉 副教授1. 毕业设计（论文）题目 基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计2.毕业设计（论文）起止时间： 2013 年 2 月 27 日-2013 年6 月10 日3.毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）所需资料：CAN协议modbus协议 ATMEL官网，AT91SAM9M10数据手册接口技术等书籍和网络资源4.毕业设计（论文）应完成的主要内容 1）了解嵌入式设计原理及过程，掌握接口技术2）以太网接口电路设计3）CAN总线接口电路设计4）通讯协议分析以及软件实现5.毕业设计（论文）的目标及具体要求有具体的硬件设计，最终的调试成功的系统。论文中应该体现： 具体的方案选择 具体的电路设计，给出硬件设计原理图 具体的软件设计，给出软件部分代码 最后的调试，是否满足功能要求6.毕业设计（论文）所需的条件及上机时数所需条件：计算机，相关电子元器件，arm开发板等上机时数： 180学时任务书批准日期2013 年 2月17日 教研室（系）主任（签字） 任务书下达日期 2013 年 2 月 27 日 指导教师（签字） 完 成 任务日期 2013 年 6 月 10 日 学生（签字） 长江大学毕业设计开题报告题目名称：基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计 题目类型： 毕 业 设 计 学生姓名： 梁 鹏 院 (系)： 电子信息学院 专业班级： 自动化10901班 指导教师： 毛玉蓉 辅导教师： 毛玉蓉 时 间： 2013年02月27日 一、题目来源：生产实际二、研究目的和意义：随着计算机技术和软硬件的发展，伴随着工业需求的增长，人们对工业控制的要求也越来越高。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。Modbus协议和can总线在工业上的应用越来越得到人们的重视。三、阅读的主要参考文献及资料名称：1 阳宪惠.现场总线技术及其应用.清华大学出版社,2001:10一662 乌巧宽明.CAN,总线原理和应用系统设计.北京航空航天大学出版社, 程晓琳.现场总线控制网络模型与网络集成.测控技术.2000,104 缪学勤.试论十种类型现场总线的体系结构.自动化博览.2003,6, 5 CAN SPECIFICATION (Version2.0) .BOSCH.1991,96 SJA1000T独立的CAN控制器应用指南.广州周立功单片机发展有限公司.7 PCA82C251以N收发器应用指南.广州周立功单片机发展有限公司. 8 王幸之,钟爱琴,王雷,王闪.AT89系列单片机原理与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,2004 9 余永全.ATMEL 89系列Flash单片机原理机应用.电子工业出版社.199910 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社.199011 孙育才.MCS51系列单片微型计算机及其应用 .东南大学出版社.198712 姚健欣.CAN总线技术的研究和应用.华中科技大学硕士学位论文.2001,113 CANopen , Communication Profile for Industrial Systems based on CAL 14 徐维祥等.单片微型机原理及应用.大连:大连理工大学出版社,1999 15 何立民.单片机高级教程.北京:北京航空航天大学出版社,2000 16 潭浩强.C程序设计.清华大学出版社.199117 马忠梅,马岩等.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社.199718 王平根,陈青娇.基于MsComm的PC机与多单片机串行通信的设计7J.井冈山学院学报,2006,(12)19 张箔莉,刘书智.VISua1C+实践与提高一串口通信与工程应用篇20 赵辉,叶子青.VC+系统开发实例精粹.思维科技21 张海棠.Visua1C+6.0编程指南.北京:航空工业出版社,1999 22 )彭芬.单片机应用系统设计中的看门狗技术探究.武汉职业技术学院学报,2006,(01)四、国内现状和发展趋势与研究的主攻方向：随着计算机在工业控制的广泛应用，控制局域网络也深入应用到各行各业之中。为更好地普及和推动Modbus在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。据不完全统计：截止到2007年，Modbus的节点安装数量已经超过了1000万个。 由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路1）了解嵌入式设计原理及过程，掌握接口技术2）以太网接口电路设计3）CAN总线接口电路设计4）通讯协议分析以及软件实现六、完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法所需条件：ARM开发板，计算机等设备解决办法:自己查找资料,请教老师.多动手,多实践.七、工作的主要阶段、进度与时间安排2013年2月27日-2013年3月15日:思考毕业设计的题目,网上查找资料,撰写开题报告2013年3月16日-2013年3月22日：完成毕业设计英文翻译2013年3月23日：进行毕业设计开题答辩2013年3月24日-2013年4月24日: 思考毕业设计整体框架，确定各个模块需要用的器件，撰写毕业设计草稿。2013年4月25日-2013年5月25日：将系统各个模块连接起来，开始实物调试2013年5月26日-2013年6月9日：老师审核，修改毕业论文，定稿。2013年6月10日：准备毕业论文答辩.八、指导教师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名梁鹏专业班级自动化10901毕业论文(设计)题目基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计指导教师毛玉蓉职 称副教授评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名梁鹏专业班级自动化10901毕业论文(设计)题目基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计评阅教师毛玉蓉职 称副教授评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩会议记录学生姓名梁鹏专业班级自动化10901毕业论文(设计)题目基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计答辩时间 2013 年 06 月 16 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计学生：梁鹏，电子信息学院指导老师：毛玉蓉，电子信息学院摘要现场总线技术是当今自动化领域发展的研究热点。CAN总线作为一种可靠性高、功能完善、灵活性好并且成本合理的先进远程网络控制方式在工业自动化控制领域中有着非常广泛的应用。MODBUS规约实现了OSI工参考模型中应用层的定义,通常作为仪表设备层网络通信。目前市场上的情况,大多数的现场智能仪器仪表和其他的自动化控制装置通常采用了Modbus串行接口通信协议。而MODBUS规约与CAN总线协议是互不兼容的。采用MODBUS规约的设备不能接入在CAN总线网络。本文对MODBUS计了一种简单易用规约、CAN总线技术进行了研究,从软件和硬件两方面着手设、能够进行智能化协议适配器,以智能转换的方式实现Modbus总线与CAN总线之间的可靠、高速转换。实现采用MODBUS规约的设备通过总线适配器灵活地接入CAN总线网络。针对总线适配器恶劣的工作环境,从硬件设计和软件设计方面增强总线协议适配器的可靠性和抗干扰能力。本文还介绍了实验室试验的情况以及实验结果的分析。为总线协议适配器的工作性能指标提供了数据依据。本课题的实际意义在于设计的智能总线协议适配器成为Modbus总线和CAN总线网络兼容的实施方案,实现采用了Modbus串行接口通信协议的大多数的现场智能仪器仪表和其他的自动化控制装置灵活接入到CAN现场总线网络中。阐述的应用方法也可为其它的工控领域提供参考。关键词:现场总线,Modbus,CAN,适配器Based on the ARM of the Modbus/TCP - CAN bus adapter hardware designStudent : Liang Peng, Electronics & Information CollegeInstructor: Mao Yu Rong, Electronics & Information CollegeAbstractFieldbus is the focus in the research of the development of the automation field. CAN bus as a kind of high reliability, perfect functions, good flexibility and cost reasonable advanced remote network control method in the field of industrial automation control has very extensive application. MODBUS criterion in the OSI reference model in the application layer defined, usually as an instrument equipment network communication.Currently on the market situation, most of the field intelligent instruments and meters and other automation control devices usually adopts the Modbus serial interface communication protocol. MODBUS statute and CAN bus protocols are incompatible with each other. Using MODBUS statute devices cannot access in CAN bus network.In this paper, the MODBUS is a simple and easy to use code, CAN bus technology is studied, from hardware and software two aspects, to intelligent protocol adapters, implementation in the form of intelligent switching between MODBUS bus and CAN bus reliability, high speed switching. Implementation using MODBUS statute device through the bus adapter flexibly connected to CAN bus network.For bus adapter bad work environment, from the aspects of hardware design and software design to enhance the reliability of the bus protocol adapter and anti-interference ability.This article also introduces the laboratory test and the analysis of experimental results. For the bus protocol adapters work performance index provides a data basis.Practical significance of this subject is to design the intelligent bus protocol adapters as Modbus bus and CAN bus network compatible with the implementation of the plan, implementation USES a Modbus serial interface communication protocol of the majority of the field intelligent instruments and meters and other automation control device for flexible access to the CAN field bus network. Expounds the application of the method can also provide a reference for other engineering field.Keywords:Fieldbus,Modbus,CAN,AdapterXIII前言基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计1.前言 现场总线技术是当今自动化领域发展的研究热。CAN(ControlAieaNetwork)即控制局域网络是由德国Bosch公司推出的数据通信网络,最早用于汽车内部监测部件与控制部件。CAN规范现已被国际标准化组织采纳,成为15011898标准。CAN总线具有高位速率、高抗电磁干扰性、低成本、极高的总线利用率的优点,最大传输距离达到10km,最快传输速率可达1MbPs CAN。总线作为一种可靠性高、功能完善、灵活性好并且成本合理的先进远程网络控制方式在工业自动化控制领域中有着非常广泛的应用。MODBUS是MODICON公司最先倡导的一种软的通讯规约,后来经过大多数公司的实际应用后逐渐被认可,成为一种标准的通讯规约。只要按照MODBUS规约进行数据通讯或传输,不同的系统或设备之间就可以实现无障碍的数据通讯。MODBUS规约实现了051参考模型中应用层的定义,通常作为仪表设备层网络通信目前市场上的情况,大多数的现场智能仪器仪表和其他的自动化控制装置通常采用了ModbuS串行接口通信协议。而MODBUS规约与CAN总线协议是互不兼容的。本课题将对MODBUS规约、CAN总线技术以及两者之间的转换进行研究,实现采用MODBUS通信规约的设备接入到CAN现场总线网络中。第51页（共50页）选课背景2 选题背景2.1 课题来源课题来源于科研项目。2.2 课题研究内容和关键技术由于网络技、仪表技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的高速发展,工业生产过程的决策层、管理层、监控层、控制层和到现场设备都产生了向全数字化发展的趋势。例如工业过程控制系统中模拟量信号实现了数字化传输的技术革命的产生就是由于现场总线技术产生和发展的结果。工业过程控制系统正向全数字化、全开放式和可互操作的方向上蓬勃发展着。为完成一个基于ARM的Modbus/TCP-CAN总线适配器的硬件设计，且具有较高测量精度和稳定性，该系统需要解决的关键技术问题有：（1）掌握can协议、modbus协议（2）了解嵌入式设计原理及过程，掌握接口技术（3）以太网接口电路设计（4）CAN总线接口电路设计2.3 国内外研究现状与发展趋势现场总线是制造技术、仪表技术、自动化技术、计算机技术与网络技术的有机结合,相关技术的发展对现场总线的发展都有很大的推动作用,尤其是网络技术对现场总线的影响。现场总线技术顺应了控制系统向网络化、分布式、智能化发展的方向,成为了工业自动化技术领域的热点,在世界上引起了的普遍关注。各大自动化公司都推出了各自的现场总线标准,提出了现场总线控制系统解决方案和产品。经过十余年的发展,于2001年8月制定出10种类型的现场总线。(1)TS61158现场总线该总线主要采用了Foundation FieldbuS总线和WorldFIP总线基本技术,支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统,主要用于本地控制器、执行器和传感器之间的底层通信,可以实现PLC的互连。(2)ControlNet和Ethernet/IP现场总线ControlNct采用了生产者/客户(Producer/Consumer)模式,该模式实现了在同一时间里网络上的所有节点从单个数据源存取相同的数据,实现了精确的同步、提高了效率、增强了系统的功能。Ethernet/IP以太网工业协议在TCP用DP/IP之上附加控制和信息协议,提供一个公共的应用层。ControlNet和Ethernet/IP都使用控制和信息协议通信,共享对象库、对象和设备规约,使得不同的设备能在整个网络中实现即插即用。(3)Profibus现场总线Profibus现场总线有Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2之分。Profibus-DP实现了底层设备级自动控制系统与1/0之间高速通信。Profibus-PA适用于过程自动化,使用两根线实现数据通信和供电,实现了本质安全性能。在此基础上,DPV1进一步完善了Profibus-PA功能；DPVZ解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题。(4)P- NET现场总线P-NET现场总线是多网络、多主站系统,采用分段式总线结构,每个总线分段上可以接入多个主站,主站之间通过接口实现网络互连,它允许在没有递阶网络结构的前提下可以实现多个总线区直接寻址。(5)FF HSE现场总线HSE网络遵循标准的以太网协议规范,并根据需要适当增加了一些过程控制功能,这些增加的功能可以在标准的以太网结构框架内无缝地进行操作,因而FF HSE总线可以使用通用的商用(COTS)以太网设备。(6)SwiftNet现场总线该总线具有简单的结构、较高的实时性,仅包括物理层和数据链路层两层结构。SwiftNet现场总线采用分层总线式拓扑结构。物理层波特率为5Mbps,一秒钟内实现105个不同报文的传送。总线使用TDMA(Slotted time division multiple access)时分多址方式。(7)WorldFIP现场总线WorldFIP现场总线系统分为过程、控制和监控三级。适合于集中型、分散型和主站/从站型等各种类型的应用结构。WorldFIP协议包含物理层、数据链路层和应用层三层结构。(8)INTERBUS现场总线INTERBUS现场总线可以构成各种拓扑形式,可以实现16级嵌套连接方式、最多可挂512个现场设备,设备的最大间距为400米。INTERBUS总线包括远程总线和本地总线。INTERBUS协议包括物理层、数据链路层和应用层三层结构。(9)FF H1现场总线FF H1现场总线协议由物理层、数据链路层、应用层以及用户层四层组成。Hl总线支持双绞线、电缆、光缆和无线等多种传输媒介。(10)PROFI net现场总线PROFI net有机地融合了工厂自动化和企业信息管理层IT技术,完全保留了Profibus现有的开放性。该方案支持建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基础上的开放的、面向对象的通信,具有较高的实时性。此外还有这样几种上面未提到但很常用的现场总线,比较流行的有:(1)LONWORKS现场总线由美国Echelon公司推出并与东芝、摩托罗拉共同倡导,于1990年正式公布而形成的,采用面现对象的设计方法和ISO/OSI模型的全部七层网络结构,广泛应用于家庭自动化、楼宇自动化、保安系统、办公设备等行业,基本没有应用在工业方面。(2)HART协议（Highway Addressable Remote Transducer）由ROSEMOUNT公司开发的被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通讯协议,得到了八十多家仪表公司的支持,1993年成立了HART通讯基金会。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号传输,属于模拟系统数字化转变的过渡性产品。(3)CAN总线CAN是控制局域网络(Control Area Network)的缩写,由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应用到其他控制领域。CAN规范现已被国际标准化组织采纳,成为ISO11898标准。Modbus和CAN总线技术的介绍3 Modbus和CAN总线技术的介绍3.1 Modbus技术3.1.1总体描述 ModBus是MODICON公司最先倡导的一种通信协议，经过许多公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议。通过该协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信，不同厂商生产的控制设备可以连接成工业网络，实现集散控制。当在一MODBUS网络上通信时，此协议决定了每个控制器必须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用MODBUS协议发出。在其它网络上，包含了MODBUS协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。ModBus通信采用主从方式，主机端发出数据请求消息，从机端接收到正确消息后就可以发送数据到主机端以响应请求，主机端也可以直接发信息修改从机端的数据，实现双向读写。在同一个网络中有一个主设备及最多达255台从设备，从设备的地址编码为1255。通常情况下，主设备只与l台从设备通信，但当主设备发出的地址码为0即采用广播方式时，可以将消息发送给所有的从设备。标准的MODBUS采集器使用RS232实现串行通讯，因此ModBus通信以帧为单位，帧的数据结构与RS232帧相同。ModBus一次通信其发送和接收的数据包由若干帧组成，协议正是定义了这些帧的意义，控制器只要按照协议解释其接收和发送的帧数据，就能与在同一网络中采用同样协议的控制器实现通信。在同一个网络中，无论主机还是从机，都必须采用相同的通信模式及相同的传输速率。目前，ModBus协议常用的传输速率为1200 bit/s19200 bit/s。MODBUS的ASCII、RTU协议规定了消息、命令和应答的方式，需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式主要采用LRC校验，RTU模式主要采用16位CRC校验。MODBUS是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接不同类型网络的设备之间提供数据的通信。图 3-1 MODBUS通信线路目前，可以通过下列三种方式实现MODBUS通信。(1)以太网上的TCP/IP。(2)各种介质上的异步串行传输。(3) MODBUS PLUS，一种高速令牌传递网络3.1.2 MODBUS数据单元MODBUS协议定义了一个与基础层无关的简单协议数据单元（Protocol Data Unit, PDU）,特定总线或网络上的MODBUS协议映射能够在应用数据单元（Additional Data Unit, ADU）上引入一些附加域，通用MODBU帧如图2-2所示。图 3-2通用MODBUS帧启动MODBUS事务处理的客户机创建MODBUSPDU，其中的功能码向服务器指示将执行哪种操作，功能码后面是含有请求和响应参数的数据域3.1.3 MODBUS通信原理MODBUS是一种简单的仿“客户机/服务器”型应用协议，其实质就是主/从模式，不过主机是客户机，从机是服务器。其通信遵循以下的过程： （1）客户端准备请求并向服务器发送请求；（2）服务器分析并处理客服端的请求，然后向客户端发送结果；（3）如果出现任何差错，服务器将返回一个异常功能码。 当服务器对客户响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）。对于一个正常响应来说，服务器仅原始功能码响应。图3-3 MODBUS事务处理（无差错）对于异常响应，服务器返回一个与原始功能码等同的码，设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1。图3-4 MODBUS事务处理（异常响应）3.1.4 Modbus主站/从站协议原理Modbus串行链路协议是一个主从协议。在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点（最大编号为247）连接于同一个串行总线。Modbus通信总是由主节点发起。子节点在没有收到来主节点的请求时，从不会发送数据，子节点之间从不会互相通信。主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。主节点以两种模式对子节点发出Modbus请求：单播模式和广播模式。 在单播模式，主节点以特定地址访问某子节点，子节点接到并处理完请求后，子节点向主节点返回一个报文（一个应答）。在这个模式，一个Modbus事务处理包含2个报文：一个来自主节点的请求，一个来自子节点的应答。每个子节点必须有唯一的地址（1到247），这样才能区别于其它节点被猪瘟独立的寻址。 图3-5 单播模式 在广播模式，主节点向所有子节点发送请求。 对于主节点广播的请求没有应答返回，广播请求一般用于写命令。所有设备必须接受广播模式的写功能。地址0是专门用于表示广播数据的。图3-6广播模式3.1.5 MODBUS通信网络MODBUS协议可以方便地在各种网络体系结构内经行通信，每种设备（PLC、HML、采集面板、变频器、运动采集、I/O设备等）都能使用MODBUS协议来启动远程操作，同样的通信能够在串行链路和TCP/IP以太网网络上经行，而网关则能够实现各种MODBUS协议的总线或网络之间的通信。（1）在标准MODBUS网络上转输标准的MODBUS口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主-从技术，即仅设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。MODBUS协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由MODBUS协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。（2）在其它类型网络上转输在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。在消息位，MODBUS协议仍提供了主-从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果控制器发送消息，它只是作为主设备，并期望从设备得到回应。同样，当控制器接收到消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。MODBUS是Modicon公司为其PLC与主机之间的通讯而发明的串行通讯协议。其物理层采用RS232、485等异步串行标准。由于其开放性而被大量的PLC及RTU厂家采用。MODBUS通讯方式采用主从方式的查询相应机制，只有主站发出查询时，从站才能给出响应，从站不能主动发送数据。主站可以向某一个从站发出查询，也可以向所有从站广播信息。从站只响应单独发给它的查询，而不响应广播消息。MODBUS的串行口的通讯参数（如波特率、奇偶校验）可由用户选择。3.1.6 ASCII模式当控制器设为在Modbus网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为一个ASCII码（两个十六进制字符）发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。信息帧的每一字节是用两个字符表示的，如十六进制数63，在ASCII 模式下占用2 字节，用以表示字符“6”和“3”，其代码是：0ll0ll0 0ll00ll。显然，ASCII 模式通信要比RTU 模式花两倍的时间和空间，但优点是表示方便，容易读取。 3.1.7 RTU（Remote Terminal Unit）模式当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的 十六进制字符。以RTU 模式建立通信时，信息是以8 位二进制方式传送的，如：63（十六进制）在RTU 模式下是用8位二进制0ll000ll 表示的，这种方式的最大好处是在同等传输速率下，可以比ASCII 模式传输较多的信息，该模式在智能仪表上被普遍采用。图3-7 RTU的串行字节表达格式：地址功能代码数据数量数据1数据nLRC高字节LRC低字节回车换行ASCII 模式地址功能代码数据数量数据1数据nCRC高字节CRC低字节RTU 模式3.2 CAN总线技术3.2.1 控制器局部网(CAN)控制器局部网(Controller Area Network-CAN)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN现场总线最初是由德国的Bosch公司为汽车的监测控制系统而设计的。由于CAN现场总线有卓越的特性和极高的可靠性，特别适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的重视，并被公认为几种最有前途的现场总线之一，成为一种国际标准(ISO 11898)CAN现场总线是一个多主总线，各节点都有权向其它节点发送信息。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点有:（1）通信速率为 1 Mbps/40m，节点数110个，每个节点均可主动传输，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。（2）采用点对点、全局广播发送接收数据。（3）可实现全分布式多机系统，且无主从之分，每点均可主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。（4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据。（5）支持四种报文帧:数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结构，传送时间短、受干扰概率低。（6）采用CRC校验及其他校验措施，保证了极低的信息出错率。（7）具有自动关闭功能，当接点错误严重时，自动切断与总线的联系，以不影响总线的工作。3.2.2 CAN的性能特点 CAN C（Controller Area Network)即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。 由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前己不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机诫、传感器等领域发展。CAN己经形成国际标准，并己被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性与灵活性，其特点可以概括如下:（1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信碑息。利用这一点可以方便的构成多机备份系统;（2）CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求；（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级最高的节点可以不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况(以太网则可能)；（4）CAN只需要报文滤波就可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的调度；（5）CAN的直接通信距离最远可达 lOkm(速率在S冲，以下)，通信速率最高可达1 Mbps(此时通信距离最多为40m )；（6）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种(CAN2.OA )，而扩展标准(CAN2.OB)的报文标识符几乎不受限制；（7）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果；（8）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低；（9）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；（10）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，使得总线上的其他节点操作不受影响。3.2.3 CAN节点的分层结构为使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)和物理层，而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。LLC子层的主要功能有:为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存在很多灵活性。MAC子层的功能主要是传送 图3-8 物理层 规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定，为开始新一次的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。MAC子层特性不存在修改的灵活性。物理层的功能是关于数据在不同节点之间实际传送的全部电气特性。显然，在一个网络里，所有节点物理层必须是相同的。但是在物理层选择上也存在很大的灵活性。 CAN技术规范2.0B定义了数据链路层的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN有关的外层，物理层定义信号怎样进行