modbus通訊協(xié)議Modbus協(xié)議

為更好地普及和推動Modbus在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA(Interface for Distributed Automation，分布式自動化接口)組織，并成立了Modbus-IDA組織，為Modbus今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在中國，Modbus已經(jīng)成為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。據(jù)不完全統(tǒng)計:截止到2007年，Modbus的節(jié)點安裝數(shù)量已經(jīng)超過了1000萬個。

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一個控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當(dāng)在同一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通信標(biāo)準(zhǔn)。

Modbus具有以下幾個特點:

(1)標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。

(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

(3)Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)。

控制器通信使用主-從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備:主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備:可編程控制器。

主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式:設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。

從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對等技術(shù)通信，故任何控制器都能初始化和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進(jìn)程。

在消息位，Modbus協(xié)議仍提供了主-從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是"對等"。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。

(1)查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息:從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

(2)回應(yīng)

如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù):像寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。

在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機(jī)PC通信的能力是同等的。選擇時應(yīng)視所用ModBus主機(jī)而定，每個ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII(美國信息交換碼)，另一種模式是RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)。

用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)(波特率、校驗方式等)，在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網(wǎng)絡(luò)上(像MAP和Modbus Plus)Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言(如Fortran)編程的主計算機(jī)及主PC很適宜。RTU則適用于機(jī)器語言編程的計算機(jī)和PC主機(jī)。

用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制等量值。用以構(gòu)成報文的ASCII字符都是十六進(jìn)制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產(chǎn)生長達(dá)1s的間隔，以適應(yīng)速度較慢的機(jī)器。

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式(ASCII或RTU)中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII(美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼)模式通信，一個信息中的每8個比特作為2個ASCII字符傳輸，如數(shù)值63H用ASCII方式時，需發(fā)送兩個字節(jié)，即ASCII"6"(0110110)和ASCII"3"(0110011)，ASCII字符占用的位數(shù)有7位和8位，國際通用7位為多。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯誤。

代碼系統(tǒng)

· 十六進(jìn)制，ASCII字符0...9,A...F

· 消息中的每個ASCII字符都是一個十六進(jìn)制字符組成

每個字節(jié)的位

· 1個起始位

· 7個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

· 1個奇偶校驗位，無校驗則無

1個停止位(有校驗時)，2個Bit(無校驗時)

錯誤檢測域

· LRC(縱向冗長檢測)

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)按照原值傳送，不做處理，如63H，RTU將直接發(fā)送01100011。這種方式的主要優(yōu)點是:數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，相同波特率下傳輸數(shù)據(jù)的密度要比ASCII高，傳輸速度更快 。

代碼系統(tǒng)

8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F

消息中的每個8位域都是一或兩個十六進(jìn)制字符組成

每個字節(jié)的位

1個起始位

8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

1個奇偶校驗位，無校驗則無

1個停止位(有校驗時)，2個Bit(無校驗時)

CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

CRC是先調(diào)入一值是全"1"的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)和當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。

CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內(nèi)容相異或(XOR)，結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當(dāng)前值相異或(XOR)。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。

CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。

CRC-16錯誤校驗程序如下:報文(此處只涉及數(shù)據(jù)位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗位)被看作是一個連續(xù)的二進(jìn)制，其最高有效位(MSB)首選發(fā)送。報文先與X↑16相乘(左移16位)，然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進(jìn)制數(shù)11000，0000，0000，0101。整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報文(MSB先發(fā)送)，成為2個CRC校驗字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設(shè)備后再被同一多項式(X↑16+X↑15+X↑2+1)除，會得到一個零余數(shù)(接收設(shè)備核驗這個CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較)。全部運算以2為模(無進(jìn)位)。

習(xí)慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備會首選送出字符的最右位(LSB-最低有效位)。而在生成CRC情況下，發(fā)送首位應(yīng)是被除數(shù)的最高有效位MSB。由于在運算中不用進(jìn)位，為便于操作起見，計算CRC時設(shè)MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數(shù)。

生成CRC-16校驗字節(jié)的步驟如下:

①例如一個16位寄存器，所有數(shù)位均為1。

②該16位寄存器的高位字節(jié)與開始8位字節(jié)進(jìn)行"異或"運算。運算結(jié)果放入這個16位寄存器。

③把這個16寄存器向右移一位。

④若向右(標(biāo)記位)移出的數(shù)位是1，則生成多項式10，1000，000，0000，001和這個寄存器進(jìn)行"異或"運算;若向右移出的數(shù)位是0，則返回③。

⑤重復(fù)③和④，直至移出8位。

⑥另外8位與該十六位寄存器進(jìn)行"異或"運算。

⑦重復(fù)③~⑥，直至該報文所有字節(jié)均與16位寄存器進(jìn)行"異或"運算，并移位8次。

⑧這個16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。

另外，在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗手段，而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式X↑16+X↑15+X↑2+1，單首次裝入的16位寄存器為0000;使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。

CRC簡單函數(shù)如下:

LRC錯誤校驗用于ASCII模式。這個錯誤校驗是一個8位二進(jìn)制數(shù)，可作為2個ASCII十六進(jìn)制字節(jié)傳送。把十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，加上無循環(huán)進(jìn)位的二進(jìn)制字符和二進(jìn)制補(bǔ)碼結(jié)果生成LRC錯誤校驗(參見圖)。這個LRC在接收設(shè)備進(jìn)行核驗，并與被傳送的LRC進(jìn)行比較，冒號(:)、回車符號(CR)、換行字符(LF)和置入的其他任何非ASCII十六進(jìn)制字符在運算時忽略不計。

表1 ModBus功能碼

編輯Modbus具有以下幾個特點:

(1)標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。

(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

(3)Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)。

控制器通信使用主-從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備:主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備:可編程控制器。

主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式:設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。

從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去.

常見的服務(wù)器和存儲設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議是IDE，SCSI和光纖通道。為了實現(xiàn)服務(wù)器和存儲設(shè)備之間的通訊，通訊的兩端都需要實現(xiàn)同樣的通訊協(xié)議。存儲設(shè)備上通常都有控制器，控制器實現(xiàn)了一種或幾種通訊協(xié)議，它可以實現(xiàn)IDE,SCSI或光纖通道等存儲協(xié)議到物理存儲設(shè)備的操作協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。而服務(wù)器的通訊協(xié)議是由擴(kuò)展卡或主板上的集成電路實現(xiàn)的，它負(fù)責(zé)實現(xiàn)服務(wù)器內(nèi)總線協(xié)議和IDE，SCSI等存儲協(xié)議的轉(zhuǎn)換。例如PC機(jī)中，一般主板上都有IDE協(xié)議的功能，IDE磁盤控制器上有IDE協(xié)議的功能。因此IDE磁盤可以連接到PC機(jī)的IDE連接線上。如果磁盤只支持SCSI協(xié)議，那么這種磁盤就不能直接與PC機(jī)連接。這時就需要在PC機(jī)擴(kuò)展槽上插入一塊SCSI卡，SCSI磁盤可以與卡連接。SCSI卡實現(xiàn)了PC總線到SCSI的轉(zhuǎn)換。這種SCSI卡實現(xiàn)的功能就是主機(jī)總線適配卡的功能。如果磁盤只支持光纖通道協(xié)議，那么服務(wù)器上就需要支持光纖通道協(xié)議，因為光纖通道的高速特性一般服務(wù)器主板都不支持，需要專門的主機(jī)總線適配卡。服務(wù)器插入主機(jī)總線適配卡后，就可以與支持光纖通道的磁盤通過光纖通道連接了。