MODBUS基本通信原理

1、3 MODBUS基本通信原理3.1 串行通信本設(shè)計(jì)中，上位計(jì)算機(jī)與下位TDM508儀表所連接的接口用的是RS-485接口。下面將具體討論RS-232C和RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)。3.1.1 RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485是由RS-232C發(fā)展而來(lái)的。而RS-232C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA推薦的標(biāo)準(zhǔn)接口，原本是用于串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通信設(shè)備和數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，是目前最常用的一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C的信號(hào)線是單方向的，兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸線共用一個(gè)地線，接口電路采用雙極性電源供電。使用的最高傳輸速率為幾十Kbps，最大傳輸距離為15m。RS-232C采用全雙工方式。(1)

2、數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE 數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE是產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)的數(shù)據(jù)源，也是接收數(shù)據(jù)的目的地，一般可以認(rèn)為DTE就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE是一個(gè)使傳輸信號(hào)符合線路要求，或者滿足DTE要求的信號(hào)匹配器。DCE是提供DTE與通信線路之間通信的建立、維持和終止連接等功能的設(shè)備。調(diào)制解調(diào)器Modem就是一個(gè)典型的DCE。RS-232C是一種為DTE和DCE之間通信而定義的接口標(biāo)準(zhǔn)，在微機(jī)系統(tǒng)中主要用于主機(jī)與調(diào)制解調(diào)器Modem之間的通信?，F(xiàn)在RS-232C也已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于微機(jī)系統(tǒng)之間的通信，即DTE和DCE之間的通信，成為一種被普遍接受的通信接口標(biāo)準(zhǔn)。(2) RS-232C的電氣

3、性能RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中的信號(hào)電平是按負(fù)邏輯定義的。邏輯“1”（標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)識(shí)為MARK）的電平標(biāo)準(zhǔn)為-3V-25V；邏輯“0”（標(biāo)識(shí)為SPACE）的電平標(biāo)準(zhǔn)為+3V+25V?？刂菩盘?hào)的接通狀態(tài)ON規(guī)定為SPACE；斷開狀態(tài)OFF規(guī)定為MARK。噪聲容限為（3V5V）。輸入端開路時(shí)，終端定義為MARK。RS-232C規(guī)定的邏輯電平與TTL電平、MOS電平均不一樣，在應(yīng)用中需要進(jìn)行RS-232C電平同其他信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。MC1488與MC1489是實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232C電平轉(zhuǎn)換的專用集成芯片。(3) RS-232C接口功能RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義了25個(gè)接口信號(hào)，使用25芯的D型插座。在微機(jī)的

4、串行通信中最常用的信號(hào)有10個(gè)，如表3-1所示。這些信號(hào)可以分為二類，一類是基本的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)，有TxD、RxD和GND，這三個(gè)信號(hào)可以構(gòu)成最簡(jiǎn)單的連接方式。另一類是傳輸控制信號(hào)，包括DTR、RTS、DSR、CTS、DCD等。PGND是保護(hù)地，一般與設(shè)備的機(jī)架相連或接電纜的屏蔽層。表3-1 常用的RS-232C接口信號(hào)引腳符號(hào)方向功能1PGND屏蔽地，保護(hù)地2TxDO發(fā)送數(shù)據(jù)3RxDI接收數(shù)據(jù)4RTSO請(qǐng)求發(fā)送5CTSI允許發(fā)送6DSRI數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好7GND信號(hào)地8DCDI載波檢測(cè)20DTRO數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好22RII振鈴信號(hào)3.1.2 RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485標(biāo)準(zhǔn)是一種差分平衡的電氣

5、接口，即采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線，可以實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)的通信。RS-485是半雙工的電氣接口，由使能信號(hào)EN控制發(fā)送或接收，接口功能示意圖3-1所示。SN75176就是一種典型的RS-485電氣接口。RS-485采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收，接收器輸入電壓的范圍為-7V+12V，接收器輸入靈敏度為200mV。傳輸?shù)淖畲笏俾试诰嚯x為12m處時(shí)為10Mbps；120m時(shí)為1Mbps；1200m時(shí)為100Kbps。圖3-1 RS-485電氣接口與互連 RS-485標(biāo)準(zhǔn)可以看作是RS-422標(biāo)準(zhǔn)的一種變形，主要區(qū)別在于RS-422是全雙工的接口。RS-485標(biāo)準(zhǔn)克服或改善了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的許多不足，特別是在提高

6、抗干擾能力方面RS-485大大地優(yōu)于RS-232C，因而在許多場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。RS-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在近距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300m以下不要終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。3.2 MODBUS通訊協(xié)議3.2.1 MODBUS協(xié)議簡(jiǎn)述MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。本設(shè)計(jì)所用到的TDM508系列儀表使用的就是MODBUS-RTU 通訊協(xié)議。MODBUS 協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。MODBUS 協(xié)議在一根通訊線上使用主從應(yīng)答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)

7、沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。首先，主計(jì)算機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備（從機(jī)），然后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。MODBUS協(xié)議只允許在主機(jī)（PC、PLC等）和終端設(shè)備之間通訊，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各終端設(shè)備不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)終端設(shè)備時(shí)，它通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的“端口”進(jìn)入被尋址到的設(shè)備，該設(shè)備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒有錯(cuò)誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請(qǐng)求的任務(wù)，然后，它將自己生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機(jī)地址(Address)、

8、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請(qǐng)求數(shù)據(jù)(Data)和一個(gè)校驗(yàn)碼(Check)。發(fā)生任何錯(cuò)誤都不會(huì)有成功的響應(yīng)，或者返回一個(gè)錯(cuò)誤指示幀。表3-2表示了MODBUS的數(shù)據(jù)幀格式。表3-2 MODBUS的數(shù)據(jù)幀格式地址（Address）域功能（Function）域數(shù)據(jù)（Data）域錯(cuò)誤校驗(yàn)（Check）域8-Bits8-BitsN8-Bits16-Bits3.2.2 地址（Address）域地址域在幀的開始部分，由一個(gè)字節(jié)（8位二進(jìn)制碼）組成，十進(jìn)制為0255，在我們的系統(tǒng)中只使用1247，其它地址保留。這些位標(biāo)明了用戶指定的終端設(shè)備的地址，該設(shè)備將接收來(lái)自與之相連的主機(jī)數(shù)據(jù)。

9、每個(gè)終端設(shè)備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會(huì)響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)終端發(fā)送回一個(gè)響應(yīng)，響應(yīng)中的從機(jī)地址數(shù)據(jù)便告訴了主機(jī)哪臺(tái)終端正與之進(jìn)行通信。3.2.3 功能（Function）域功能域代碼告訴了被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。表3-3列出了TDM508 系列儀表用到的功能碼，以及它們的意義和功能。表3-3 TDM508 系列儀表用到的功能碼代碼意義行為01讀DO狀態(tài)獲得數(shù)字（繼電器）輸出的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF）02讀DI狀態(tài)獲得數(shù)字輸入的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF）03讀數(shù)據(jù)寄存器獲得一個(gè)或多個(gè)寄存器的當(dāng)前二進(jìn)制值05控制DO控制數(shù)字（繼電器）輸出狀態(tài)（ON/OFF）16預(yù)置多寄存器設(shè)

10、定二進(jìn)制值到一系列多寄存器中3.2.4 數(shù)據(jù)（Data）域數(shù)據(jù)域包含了終端執(zhí)行特定功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者設(shè)置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個(gè)寄存器，數(shù)據(jù)域則需要指明從哪個(gè)寄存器開始及讀取多少個(gè)數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌的地址和數(shù)據(jù)依照類型和從機(jī)之間的不同內(nèi)容而有所不同。3.2.5 錯(cuò)誤校驗(yàn)（Check）域該域允許主機(jī)和終端檢查傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤。有時(shí)，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備時(shí)在線路上可能會(huì)發(fā)生一些改變，出錯(cuò)校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC主機(jī)或者終端不去響應(yīng)那些傳輸過(guò)程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率，錯(cuò)誤校驗(yàn)使用

11、了16位循環(huán)冗余的方法（CRC16）。錯(cuò)誤校驗(yàn)（CRC）域占用兩個(gè)字節(jié)，包含了一個(gè)16位的二進(jìn)制值。CRC值由傳輸設(shè)備計(jì)算出來(lái)，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)重新計(jì)算CRC值，然后與接收到的CRC域中的值進(jìn)行比較，如果這兩個(gè)值不相等，就發(fā)生了錯(cuò)誤。CRC運(yùn)算時(shí)，首先將一個(gè)16位的寄存器預(yù)置為全1，然后連續(xù)把數(shù)據(jù)幀中的每個(gè)字節(jié)中的8位與該寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行運(yùn)算，僅僅每個(gè)字節(jié)的8個(gè)數(shù)據(jù)位參與生成CRC，起始位和終止位以及可能使用的奇偶位都不影響CRC。在生成CRC時(shí)，每個(gè)字節(jié)的8位與寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行異或，然后將結(jié)果向低位移位，高位則用“0”補(bǔ)充，最低位（LSB）移出并檢測(cè)，如果是1，該

12、寄存器就與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進(jìn)行一次異或運(yùn)算，如果最低位為0，不作任何處理。上述處理重復(fù)進(jìn)行，直到執(zhí)行完了8次移位操作，當(dāng)最后一位（第8位）移完以后，下一個(gè)8位字節(jié)與寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行異或運(yùn)算，同樣進(jìn)行上述的另一個(gè)8次移位異或操作，當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的所有字節(jié)都作了處理，生成的最終值就是CRC值。生成一個(gè)CRC的流程為：（1）預(yù)置一個(gè)16 位寄存器為0FFFFH（全1），稱之為CRC寄存器。2. 把數(shù)據(jù)幀中的第一個(gè)字節(jié)的8位與CRC寄存器中的低字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)果存回CRC寄存器。3. 將CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測(cè)。4. 如果最低位為0，重復(fù)第三步（下一次移

13、位）；如果最低位為1，將CRC 寄存器與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進(jìn)行異或運(yùn)算。5. 重復(fù)第三步和第四步直到8次移位。這樣處理完了一個(gè)完整的八位。6. 重復(fù)第2步到第5步來(lái)處理下一個(gè)八位，直到所有的字節(jié)處理結(jié)束。7. 最終CRC寄存器的值就是CRC的值。本設(shè)計(jì)中，用了CRC16查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)MODBUS最后兩個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤校驗(yàn)域，具體程序詳見附錄。3.2.6查詢回應(yīng)周期查詢：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

14、器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法?；貞?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)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。圖3-2 主從 查詢回應(yīng)周期表3.3 通訊應(yīng)用格式詳解3.3.1 讀DO狀態(tài)（功能碼01）查詢數(shù)據(jù)幀：主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的數(shù)據(jù)幀。 01 號(hào)功能允許用戶獲得指定地址的從機(jī)的DO（繼電器）輸出狀態(tài) ON/OFF（1 = ON , 0 = OFF），除了從機(jī)地址和功能

15、域，數(shù)據(jù)幀還需要在數(shù)據(jù)域中包含將被讀取DO（繼電器）的初始地址和要讀取的DO（繼電器）數(shù)量。TDM508 系列中DO（繼電器）的地址從0000H 開始（DO1=0000H，DO2=0001H）。下面表3-4的例子是從地址為10 的從機(jī)讀取DO1 到DO2 的狀態(tài)。（例如：TDM508 系列有2個(gè)DO，DO的地址為0000H0001H）表3-4 功能碼01（查詢數(shù)據(jù)幀）AddrFunDO start reg hiDO start reg loDO #of regs hiDO #of regs loCRC16 hiCRC16 lo0AH01H00H00H00H02HBCHB0H響應(yīng)數(shù)據(jù)幀：從機(jī)回應(yīng)

16、主機(jī)的數(shù)據(jù)幀. 包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC 錯(cuò)誤校驗(yàn)，數(shù)據(jù)包中每個(gè)DO 占用一位（1 = ON , 0 = OFF），第一個(gè)字節(jié)的最低位為DO1 的值，第二位為DO2 的值。下面表3-5的例子是讀數(shù)字輸出狀態(tài)響應(yīng)的實(shí)例。表3-5 功能碼01（響應(yīng)數(shù)據(jù)幀）AddrFunByte countDataCRC16 hiCRC16 lo0AH01H01H02HD2H6DH錯(cuò)誤指示碼：如果主機(jī)請(qǐng)求的地址不存在或數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不正確則返回錯(cuò)誤指示碼：FFH。3.3.2 讀DI狀態(tài)（功能碼02）查詢數(shù)據(jù)幀：此功能允許用戶獲得DI 的狀態(tài) ON / OFF（1 = ON , 0 = OFF），除了從機(jī)地

17、址和功能域，數(shù)據(jù)幀還需要在數(shù)據(jù)域中包含將被讀取DI 的初始地址和要讀取的DI 數(shù)量。TDM508 系列中DI的地址從0000H 開始（DI1=0000H，DI2=0001H）。下面表3-6的例子是從地址為10 的從機(jī)讀取DI1 到DI2 的狀態(tài)。表3-6 功能碼02（查詢數(shù)據(jù)幀）AddrFunDI start reg hiDI start reg loDI #of regs hiDI #of regs loCRC16 hiCRC16 lo0AH02H00H00H00H02HF8HB0H響應(yīng)數(shù)據(jù)幀：響應(yīng)包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC 錯(cuò)誤校驗(yàn)，數(shù)據(jù)幀中每個(gè)DI 占用一位（1= ON ,

18、0 = OFF），第一個(gè)字節(jié)的最低位為DI1 的值，第二位為DI2 的值。下面表3-7的例子為讀數(shù)字輸入狀態(tài)響應(yīng)的實(shí)例。表3-7 功能碼02（響應(yīng)數(shù)據(jù)幀）AddrFunByte countDataCRC16 hiCRC16 lo0AH02H01H01H62H6CH錯(cuò)誤指示碼：如果主機(jī)請(qǐng)求的地址不存在或數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不正確則返回錯(cuò)誤指示碼：FFH。3.3.3 讀數(shù)據(jù)寄存器（功能碼03）查詢數(shù)據(jù)幀：此功能允許用戶獲得設(shè)備采集與記錄的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。主機(jī)一次請(qǐng)求的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)沒有限制，但不能超出定義的地址范圍。下面表3-8的例子是從10號(hào)從機(jī)讀3個(gè)采集到的基本數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)幀中每個(gè)地址占用2個(gè)字節(jié)）F、Va、Vb

19、, TDM508系列中F的地址為0130H，Va的地址為0131H，Vb的地址為0132H。表3-8 功能碼03（查詢數(shù)據(jù)幀）AddrFunData start reg hiData start reg loData #of regs hiData #of regs loCRC16 hiCRC16 lo0AH03H01H30H00H03H05H43H響應(yīng)數(shù)據(jù)幀：響應(yīng)包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC 錯(cuò)誤校驗(yàn)。下面表3-9的例子是讀取F、Va、Vb(F=1388H(5000Hz)、Va=03E7H(99.9v) 、Vb=03E9H(100.1v)的響應(yīng)。表3-9 功能碼03（響應(yīng)數(shù)據(jù)幀）

20、AddrFunByte countData1 hiData1 loData2 hiData2 loData3 hiData3 loCRC16 hiCRC16 lo0AH03H06H13H88H03HE7H03HE9HC1HF4H錯(cuò)誤指示碼：如果主機(jī)請(qǐng)求的地址不存在則返回錯(cuò)誤指示碼：FFH。3.3.4 控制DO（繼電器）（功能碼05）查詢數(shù)據(jù)幀：該數(shù)據(jù)幀強(qiáng)行設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的DO為ON或OFF，TDM508系列的DO的地址從0000H開始（DO1=0000H，DO2=0001H）。注意：ON 的定義不一定是輸出回路的閉合，根據(jù)設(shè)置參數(shù)的不同設(shè)置一次ON 時(shí)，也可能在硬件上輸出一個(gè)脈沖。數(shù)據(jù)FF00H

21、將設(shè)DO為ON狀態(tài)，而0000H則將設(shè)DO為OFF狀態(tài)；所有其它的值都將導(dǎo)致從機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤指示碼，并且不影響DO狀態(tài)。下面表3-10的例子是請(qǐng)求10號(hào)從機(jī)設(shè)置DO1為ON狀態(tài)。表3-10 功能碼05（查詢數(shù)據(jù)幀）AddrFunDO addr hiDO addr loValue hiValue loCRC16 hiCRC16 lo0AH05H00H00HFFH00H8DH41H響應(yīng)數(shù)據(jù)幀：對(duì)這個(gè)命令請(qǐng)求的正常響應(yīng)是在DO狀態(tài)改變以后回傳接收到的數(shù)據(jù)。表3-11 功能碼05（響應(yīng)數(shù)據(jù)幀）AddrFunDO addr hiDO addr loValue hiValue loCRC16 hiCRC16 lo0AH05H00H00HFFH00