MODBUS协议异构通讯小结

PAGEPAGE13MODBUS协议异构通讯关于串行通信1、串行通信的概念（这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式工作）串行通信指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。典型的串行接口的结构如下：能够完成上述“串<-->并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UART：UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter）,典型的芯片有：Intel8250/8251,16550。2、串口通信的奇偶校验串行数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，例如，传输字符‘E’，其各位为：0100，0101=45HD7D0由于干扰，可能使位变为1，这种情况，我们称为出现了“误码”。我们把如何发现传输中的错误，叫“检错”。发现错误后，如何消除错误，叫“纠错”。最简单的检错方法是“奇偶校验”，即在传送字符的各位之外，再传送1位奇/偶校验位。可采用奇校验或偶校验。奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为奇数，如：10110，010100110，0001偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为偶数，如：10100，010100100，0001奇偶校验能够检测出信息传输过程中的部分误码（1位误码能检出，2位及2位以上误码不能检出），同时，它不能纠错。在发现错误后，只能要求重发。但由于其实现简单，仍得到了广泛使用。有些检错方法，具有自动纠错能力。如循环冗余码（CRC）检错等。3、口行通信的全双工和半双工方式全双工：数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。半双工：使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此，会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。目前多数终端和串行接口都为半双工方式提供了换向能力，也为全双工方式提供了两条独立的引脚。在实际使用时，一般并不需要通信双方同时既发送又接收。4、串行通信的传输速率与通信距离在串行通信中，用“波特率”来描述数据的传输速率。所谓波特率，即每秒钟传送的二进制位数，其单位为bps（bitspersecond）。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。国际上规定了一个标准波特率系列：110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600、14.4Kbps、19.2Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps。大多数串行接口电路的接收波特率和发送波特率可以分别设置，但接收方的接收波特率必须与发送方的发送波特率相同。通信线上所传输的字符数据（代码）是逐为位传送的，1个字符由若干位组成，因此每秒钟所传输的字符数（字符速率）和波特率是两种概念。在串行通信中，所说的传输速率是指波特率，而不是指字符速率，它们两者的关系是：假如在异步串行通信中，传送一个字符，包括12位（其中有一个起始位，8个数据位，2个停止位），其传输速率是1200b/s，每秒所能传送的字符数是1200/(1+8+1+2)=100个。发送/接收时钟：在串行传输过程中，二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的，如何对这些数字波形定时发送出去或接收进来，以及如何对发／收双方之间的数据传输进行同步控制的问题就引出了发送／接收时钟的应用。在发送数据时，发送器在发送时钟（下降沿）作用下将发送移位寄存器的数据按串行移位输出；在接收数据时，接收器在接收时钟（上升盐）作用下对来自通信线上串行数据，按位串行移入移位寄存器。可见，发送／接收时钟是对数字波形的每一位进行移位操作，因此，从这个意义上来讲，发送／接收时钟又可叫做移位始终脉冲。另外，从数据传输过程中，收方进行同步检测的角度来看，接收时钟成为收方保证正确接收数据的重要工具。为此，接收器采用比波特率更高频率的时钟来提高定位采样的分辨能力和抗干扰能力。在规定的误码率下，当波特率、信号线、信号的性质及大小一定时，串行通信的传输距离就一定。为了加大传输距离，必须加调制解调器。5、串行通信的调制解调器计算机的通信是要求传送数字信号，而在进行远程数据通信时，通信线路往往是借用现存的公用电话网，但是，电话网是为300～3400HZ之间的音频信号设计的，这对二进制数据的传输不适合。为此，在发送时，需要将二进制信号调制成相应的音频信号，以适合在电话网上传输。在接收后时，需要对音频信号进行调解还原成数字信号。因此，在发送端使用调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号，（该模拟信号携带了数据信号，称为载波信号），模拟信号经通信线传送到接收方，接收方再以解调器（Demodulator），把模拟信号变为数字信号。大多数情况下，调制器和解调器合在一个装置中，称为“调制解调器”Modem。在通信中，Modem起着传输信号的作用，是一种数据通信设备（DataCommunicationequipment）,简称DCE或称数传机（Dataset），接收设备和发送设备称为数据终端设备（dataterminalequipment），简称DTE。加入Modem后，通信系统的结构如图1所示。6、串行通信的同步通信及异步通信方式起止式异步通信的特点是：一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束,字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值），字符本身由5-7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位（也可以没有校验位），最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定长的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值１），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。从图中可看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起止式协议。采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。这样，传输时，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般将同步字符和空字符用同一个代码。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送和空字符用同一个代码。接收端当然是应该能识别同步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。同步通信与异步通信的比较：（1）异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小。（2）异步通信只适用于点<-->点，同步通信可用于点<-->多。（3）通信效率：异步通信低，同步通信高。7、网络通信的数据包（帧）在网络通信中，“包”（Packet）和“帧”（Frame）的概念相同，均指通信中的一个数据块。对于具体某种通信网络，一般使用术语“帧”。一种网络的帧格式可能与另一种网络不同，通常使用术语“包”来指一般意义的帧。串行通信的数据格式有面向字符型的数据格式，如单同步、双同步、外同步；也有面向比特型的数据格式，这以帧为单位传输，每帧由六个部分组成，分别是标志区、地址区、控制区、信息区、帧校验区和标志区。8、串行通信协议通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、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等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于ISO'SOSI七层参考模型中的数据链路层。目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。其中，面向字节计数的同步协议主要用于DEC公司的网络体系结构中。9、串行通信的物理标准为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：传输率，电特性，信号名称和接口标准。传输率即波物率。RS-232-C标准：RS-232-C标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS-232－C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，RS-232-C将-5V～-15V规定为“1”，+5V～+15V规定为“0”。图1是TTL标准和RS-232-C标准之间的电平转换。二、RS-232、RS-422与RS-485标准及应用RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，作为工业标准。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，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。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。RS-232串行接口标准RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，DB25各引脚定义参见图1。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。RS-422与RS-485串行接口标准RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图2。图2通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。RS-422电气标准：RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。图5是典型的RS-422四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。图4是其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。图4图5RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。RS-485电气标准：由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，参见图6。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。参见图7。图6图7RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12kΩ而S-422是4kΩ；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422与RS-485网络安装注意点：RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。RS-422可支持10个节点，RS-485支持32个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：1．采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图8所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，c，e）和正确的连接方式（b，d，f）。a，c，e这三种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。2．应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。

总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。三、MODBUS通信协议简介1、概述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。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果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。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、路由路径及错误检测的方法。1）、在Modbus网络上转输标准的Modbus口是使用一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，即仅一设备（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，从设备返回一消息作为回应，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、一错误检测域。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、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一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，故任何控制器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”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，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。2、MODBUS协议传送方式MODBUS通讯协议有两种传送方式:RTU方式和ASCII方式,两种方式如下所示：项目RTU方式ASCII方式字节长度8BITS7BITS奇偶校验1BITOR0BIT1BITOR0BIT字节中止1BITOR2BITS1BITOR2BITS开始标记不要:(冒号)结束标记不要CR,LF数据间隔<24BIT<1S出错检验方式CRC-16LRC支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备3、MODBUS相关协议包括以下几类：MODBUSASCII调试时直观，LRC校验容易，传输的效率比较低。MODBUSRTU采用16位CRC校验，传输的数据量比较大。MODBUSTCPModbus信息帧需嵌入TCP帧，使用对等技术通信。MODBUSPLUS(MODBUS+)一种高速对等工业局域网，更加复杂的数据打包方法。3.1MODBUS-RTU对硬件的要求网络采用串行总线方式，满足RS485通讯要求（通讯距离、设备数量等）。网络中只有一个主设备。设备支持MODBUSRTU协议。网络中设备的串口参数和传输设置必须一致。网络中设备通讯地址不能重复，地址范围在1－247之间3.2协议相关术语：寄存器类型：线圈状态－表示一个可读写的数字量寄存器，类似于开出信号输入状态－表示一个只读的数字量寄存器，类似于开入信号保持寄存器－表示一个可读写的模拟量寄存器，类似于模出信号输入寄存器－表示一个只读的模拟量寄存器，类似于模入信号其它术语功能码－表示主设备对从设备操作的方式（读或者写指定寄存器类型）。寄存器起始地址－不同寄存器的地址是相对独立的，设备数据的存放是按照地址进行存储的。寄存器数量－不同寄存器的数量返回的字节数不一致，模拟量一个寄存器表示2个字节，开关量8个寄存器用一个字节表示。功能码名称作用01读取线圈状态取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)02读取输入状态取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF)03读取保持寄存器在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值04读取输入寄存器在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值05强置单线圈强置一个逻辑线圈的通断状态06预置单寄存器把具体二进值装入一个保持寄存器15强置多线圈强置一串连续逻辑线圈的通断16预置多寄存器把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器3.3标准MODBUS-RTU协议分析读命令：主设备发送命令：[设备地址][功能码][起始寄存器地址高8位][低8位][读取的寄存器数高8位][低8位][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]设备响应：[设备地址][功能码][返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]注：寄存器地址从0开始偏移 开关量每一个数据表示8个开关量的值，每一位为0表示对应的开关断开，为1表示闭合。 一个模拟量需要2个字节，高位在前举例：读线圈:发：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]收：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B][CRC低][CRC高]读保持寄存器:发：[11][03][00][6B][00][03][CRC低][CRC高]收：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64][CRC低][CRC高]写单个寄存器命令主设备发送命令：[设备地址][功能码][需下置的寄存器地址高8位][低8位][下置的数据高8位][低8位][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]设备响应：原样返回写多个寄存器命令主设备发送命令：[设备地址][功能码][需下置的寄存器地址高8位][低8位][寄存器数量高8位][低8位][字节个数][数据1高8位][低8位][数据2高8位][低8位]..[CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]设备响应：[设备地址][功能码][需下置的寄存器地址高8位][低8位][寄存器数量高8位][低8位][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]举例写单个线圈:发：[11][05][00][AC][FF][00][CRC低][CRC高]收：[11][05][00][AC][FF][00][CRC低][CRC高]注：[FF][00]表示闭合[00][00]表示断开，其他数值非法。写多个保持寄存器:发：[11][10][00][01][00][02][04][00][0A][01][02][CRC低][CRC高]收：[11][10][00][01][00][02][CRC低][CRC高]当命令存在错误，从设备响应如下写命令：无响应读命令：返回的功能码最高位置1，后面跟错误码。如发：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]回：[11][81][02][CRC低][CRC高]错误码含义如下：01ILLEGALFUNCTION02ILLEGALDATAADDRESS03ILLEGALDATAVALUE04SLAVEDEVICEFAILURE05ACKNOWLEDGE06SLAVEDEVICEBUSY07NEGATIVEACKNOWLEDGE08MEMORYPARITYERROR设备提供的MODBUS地址一般有2部分组成，包含了寄存器类型和起始地址，最高一位为寄存器类型，低位为起始地址。 寄存器类型对应如下： 0表示输入状态1表示线圈状态 3表示输入寄存器4表示保持寄存器举例：400010003四、公司MODBUS通信协议产品公司现在支持MODBUS通信协议的硬件产品主要有XP/FW244、XP/FW248,以及ECS-700系统的串行通信模块COM741-S；软件产品有AdvMBlink。1、248系列通讯卡参数可实现卡件冗余248卡件通讯数据采用自定义位号支持除回路控制外的所有功能块支持4路串口的并发工作，每路串口支持RS-232和RS-485两种通讯方式。4个串口可同时运行不同的协议。每一串口可以挂接的设备由运行的协议决定，但最多不超过32个通讯波特率支持（1200-19200）bps，数据位（5-8）位，停止位（1-2）位，校验方式：无校验、偶校验、奇校验、空格校验、标志校验SCnetII通讯：100M以太网通讯，冗余配置（SCnetIIA,SCnetIIB）。支持与操作员站、服务器的数据交互以及与SCnetII网络其他控制站（IP地址：2-62）的站间数据交换。在系统中的位置主控卡地位安装位置机笼中I/O槽位，面板占有两个槽位物理接口RS232/RS485自定义协议支持的协议：标准协议Modbus-RTU主站、Modbus-RTU从站Hostlink(主站)自定义协议248系统卡件组态：通过SCControl功能块组态，组态主要分三部分，