仪表通讯协议分类

1、 什么是通讯协议 o通讯协议又称通信规程，是指通讯双方对数 据传送控制的一种约定。约定中包括对数据数据 格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检 纠错方式以及控制字符定义纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一 规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链 路控制规程。 通讯协议分类 o常用的仪表通讯协议有： nmodbus通讯协议 nRS-232通讯协议 nRS-485通讯协议 nHART通讯协议。 第一讲 Modbus协议 Modbus协议 Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在 1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一部分， 现在Modbus已

2、经是工业领域全球最流行的协议。此 协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网 设备。 由于modbus协议是完全公开透明的，所需 的软硬件又非常简单，这就使它成为了一种通用的 工业标准。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪 表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。 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。 Modbus通讯协议 o特点 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。 此协议定义了一个控制器能认识使用的

3、消息 结构,而不管它们是经过何种网络进行通信 的。 modbus通讯方式 modbus通讯协议是一种主从式异步半双 工通信协议，采用主从式通讯结构，可以使 一个主站主站对应多个从站从站进行双向通信。它描 述了一控制器请求访问其它设备的过程,如 何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测 错误并记录。它制定了消息域格局和内容的 公共格式。 Modbus协议 o Modbus协议包括ASCII、RTU等通讯方式，并没 有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使 用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通 信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行 的Modbus。Modbus的ASC

4、II、RTU协议规定了消息、 数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用主主 - -从从方式，主站主站发出数据请求消息，从站从站接收到正 确消息后就可以发送数据到主站主站以响应请求；主站主站 也可以直接发消息修改从站从站的数据，实现双向读写。 主/从原理 Modbus协议 当在一Modbus网络上通信时,此协议决定 了每个控制器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

5、检测的方 法。 Modbus协议 当在网络上通信时，Modbus协议决定了 每个控制器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，控制器将生成应答并使用 Modbus协议发送给询问方。 Modbus协议 o Modbus协议需要对数据进行校验，串行 协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC 校验，RTU模式采用16位CRC校验。另外， Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际 使用中如果某从站点断开后（如故障或关 机），主端可以诊断出来，而当故障修复后， 网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可 靠性较好。 Modbus与OSI参考模型 M

6、odbus之ASCII通讯方式 地址码：从站的地址（8位） 功能码：主站发送，告诉从站执行功能（8位） 数据区：具体数据内容（N*8位） 校验码：LRC校验（8位） 起始位：用“：”号，（3AH）（ASCII为58） 停止位：用“CR”（0DH），“LF”（0AH） 数据位内容由程序编写，所有信息通讯均用数据位内容由程序编写，所有信息通讯均用ASCIIASCII 码形式发送和接收。码形式发送和接收。 起始位地址码功能码数据区校验码停止位 数据帧 数据帧 广播模式（只用于写操作） 非广播模式 Modbus之RTU通讯方式 地址码、功能码、数据区与ASCII通讯相同。 校验码：CRC校验（16位）

7、 起始位：无字符，保持无信号时间大于10ms 。 停止位：无字符，保持无信号时间大于10ms 。 数据内容由通讯程序编写，所有的信息均用数据内容由通讯程序编写，所有的信息均用 十六进制形式发送和接收。十六进制形式发送和接收。 起始位地址码功能码数据区校验码停止位 第二讲 RS-232通讯协议 RS-232通讯协议 oRS-232是美国电子工业协会EIA （Electronic Industry Association）制 定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推 荐标准”的缩写，232为标识号通常。RS- 232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个

8、人计算机上会 有两组RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2 。 RS-232接口 RS-232通讯协议 oRS-232标准设有25条信号线和9条信号线两 种，包括一个主通道和一个辅助通道。在多 数情况下主要使用主通道，对于一般双工通 信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送 线、一条接收线及一条地线。 RS-232通讯协议 o传输速率 RS-232标准规定的数据传输速率为50、 75、100、150、300、600、1200、2400、 4800、9600、19200波特率。 RS-232通讯协议 o远程通信连接数据终端 RS-232标准最初是远程通信连接数据终端设备 （DTE）数

9、据通信设备（DCE）而制定的。因此这个 标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但 目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说， 是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。 显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一 致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解， 我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难 理解了。 RS-232通讯协议 o“发送”和“接收” RS-232标准中所提到的“发送”和 “接收”，都是站在DTE立场上，而不是站 在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统 中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两 者都是DTE，因此双方都能发送和接收。 RS-232通

10、讯协议 o电气特性 EIA-RS-232 对电器特性、逻辑电平和各种信 号线功能都作了规定。 在TxD和RxD上： 逻辑1(MARK)=-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+3+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V +15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V- 15V RS-232通讯协议 oRS-232接口定义（9芯） RS-232通讯协议 oRS-232接口定义(25芯) 1 频蔽地线 2 发送数据 TXD 3 接收数据 RXD 4 请求发送RTS 5 允许发送 CTS 6 数据准备好 DSR 7 信号地 SG

11、 8 载波检测 DCD 9 发送返回(+) 10 未定义 11 数据发送(-) 1217 未定义 18 数据接收(+) 19 未定义 20 数据终端准备好 DTR 21 未定义 22 振铃 RI 2324 未定义 25 接收返回(-) RS-232通讯协议 o RS-232串口通信接线方法（三线制） 串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能 实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两 个串口相连或一个串口和多个串口相连。接收数据针脚 （或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信 号地对应相接 。 9针D型串口：2“RXD”，3“TXD”，5“逻辑地”。 o25针串口通信接线方法

12、RS-232通讯协议 oRS-232缺点 （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯 片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方 能与TTL电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传输时，波特率 20Kbps。 （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成 共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所 以抗噪声干扰性弱。 （4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺 （实际15米）。 第三讲 RS-485通讯协议 RS-485通讯协议 o诞生 RS-485标准是在RS232的基础上发展来的， 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发 送器连接到同一条总线上，同时增加了发送 器

13、的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线 共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。 RS-485通讯协议 oRS-485的电气特性 逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为- （26）V表示。接口信号电平比RS-232降 低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该 电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连 接。 RS-485通讯协议 o传播速率 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps oRS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收 器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声 干扰性好。 o波特率 1200bps、2400bps、4800bps、9600

14、bps9600bps、19200bps、 38400bps、125K RS-485通讯协议 o 通信接口方式通信接口方式 RS485接口：异步，半双工,串行 o 数据格式数据格式 1 1位起始位、位起始位、8 8位数据位、位数据位、1 1位停止位、无校验位停止位、无校验 1位起始位、8位数据位、1位停止位、奇校验 1位起始位、8位数据位、1位停止位、偶校验 当当与现场总线适配器与现场总线适配器PROFIBUSPROFIBUS连接时采用默认连接时采用默认 数据格式：见上黑粗体数据格式：见上黑粗体 RS-485通讯协议 oRS-485接口的最大传输距离标准值为4000英 尺，实际上可达 3000米

15、(理论上的数据，在 实际操作中，极限距离仅达1200米左右）， 另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个 收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线 上是允许连接多达128个收发器。即具有多 站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接 口方便地建立起设备网络。 RS-485RS-485接口定义接口定义 o9针型接口 RS485接口 信号含义 3 RXD- 接收数据 4 RXD+ 接收数据 5 TXD+ 发送数据 7 TXD- 发送数据 缺点 o很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用 一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。 而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多

16、场合 是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患共模干扰 问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并 不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检 测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了 收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模 电压范围为-7+12V，只有满足上述条件，整个网 络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范 围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。 第四讲 HART协议 HART协议 o HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道 的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT公司于 1985年

17、推出的一种用于现场智能仪表和控制 室设备之间的通信协议。 HART装置提供具 有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经 过10多年的发展，HART技术在国外已经十分 成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。 HART协议 o HART协议采用基于Bell202标准的FSK频 移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠 加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数 字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信 号的平均值为0，不影响传送给控制系统模 拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼 容性。在HART协议通信中主要的变量和控制 信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外 的测量、过程参数、

18、设备组态、校准、诊断 信息通过HART协议访问。 协议基本情况 o420mA模拟信号+数字控制信号（FSK技术） o支持双绞线全数字通信，可构成15个站网络 o支持OSI开放体系结构，1、2、7、层 通信模型 HartHart命令命令 无定仪无定仪 数据链路层规范数据链路层规范 BELL 202BELL 202 物理层 o基于基于Bell 202 Bell 202 通信标准的通信标准的FSK FSK 技术，基本内容：技术，基本内容： 波特率波特率 1200bps 1200bps （速度较慢）（速度较慢） 逻辑逻辑1 1200HZ1 1200HZ 逻辑逻辑0 2400HZ0 2400HZ 载波传

19、输载波传输 o通信方式： n1）主从式通信 o由主设备来控制数据帧的传送 o最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上 n2）突发模式 o 从设备定时重复发送数据帧 n3）半双工通讯方式 o寻址范围：0 15 o当地址为0时，处于420mADC与数字通信兼容状态。 o当地址为115时，则处于全数字通信状态。 o规定通信数据的结构，每个字符由规定通信数据的结构，每个字符由11位组位组 成：成： o1bit1bit起始位起始位 + 8bit+ 8bit数据数据 + 1bit+ 1bit奇偶校奇偶校 验位验位 + 1bit+ 1bit停止位停止位 最多最多 25 字节字节 应用层 o通用命令 o对所

20、有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以 下内容： n读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数； n读出传感器串联数目及其线制； n读出制造厂及产品型号； n读出主变量及单位； n读出电流的输出及百分比输出； n读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以 及日期等； 应用层 o通用命令通用命令 适用于大部分符合HART协议的产品，但不同 公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量 单位，微调DA的零点和增益等： l写入阻尼时间常数； l写入变送器量程； l标定（设置零点和量程）； l微调主变量零点； l微调DAC的零点和增益； l完成自检及主机复位； 应用层 o特殊命令：特殊命令： 仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司 的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化， 微调传感头校正等。 ： l读出或写入开方小流量截断值； l启动、停止或清除累积器； l选择主变量（质量流量或密度）； l读出或写入组态信息资料； l微调传感器的标定； HART通讯模式 o第一种“问答式”：2次