2 MODBUS現(xiàn)場總線技術綜述

2.1 MODBUS總線技術簡介和特點

MODBUS是Modicon公司1979年最先倡導的一種通信協(xié)議，經(jīng)過許多公司的實際應用，逐漸被認可，成為一種應用于工業(yè)控制器上的標準通信協(xié)議，由于其功能比較完善而且協(xié)議開放，因此，被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場，在微機化測量設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信。連接單個分散的測量控制設備，使之可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，具有分散控制、使用簡單、簡化系統(tǒng)結構、數(shù)據(jù)易于處理、節(jié)約硬件設備、易于安裝和維護等優(yōu)點。

MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個主/從協(xié)議。適用于半雙工的RS-485總線。協(xié)議規(guī)定總線上有一個主機，多個從機，每個從機分配唯一的地址。工作時可以采用命令/應答的通訊方式。MODBUS通訊總是由主站發(fā)起請求，所有的從設備都接收并解析其中的地址信息，與地址不匹配的從站拋棄該請求幀，繼續(xù)偵聽總線;只有與地址相匹配的從設備對該請求幀進行進一步解析，并回應應答幀。若解析后校驗的結果出錯，從站向主機發(fā)送出錯信號。一般情況下，當主機收到出錯應答或在用戶設定的時間內仍未收到響應報文時，主站就會立即重發(fā)信息給從設備。這種一問一答的通信模式，大大提高了通信的正確率。從站沒有收到來自總站的請求時，將不會自動發(fā)送數(shù)據(jù)。從站之間也不能互相通信。在某一時刻主站只能啟動一個MODBUS事務處理。

數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，將報文作為一幀數(shù)據(jù)，報文是由發(fā)送地址、控制信息、發(fā)送數(shù)據(jù)、校驗信息按一定格式組成的一個數(shù)據(jù)單元。主設備發(fā)出的請求幀和從設備發(fā)出的應答幀都是以地址開頭的。

2.2 MODBUS協(xié)議在串行鏈路層上的實現(xiàn)

串行鏈路上的MODBUS系統(tǒng)可以使用不同的物理接口作為其物理層標準。最常用的接口是RS485兩線制接口，RS485四線制接口可作為附加選項用。當只需要短距離的點到點通信時，也可以使用RS232串行接口作為MODBUS系統(tǒng)的物理接口。圖2.1給出了MODBUS協(xié)議與ISO/OSI網(wǎng)絡模型的對應關系。

2.2.1 MODBUS主/從協(xié)議原理

MODBUS串行鏈路協(xié)議位于OSI模型的第2層，是一個主/從協(xié)議?；诖墟溌穼崿F(xiàn)的MODBUS系統(tǒng)中，有且僅有一個主節(jié)點(客戶機、主站)能夠向其他從節(jié)點發(fā)出請求報文并處理響應，從節(jié)點在沒有收到主站的請求時并不主動向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，也不與其他從節(jié)點通信。

主站可通過單播和廣播兩種方式向從站發(fā)出MODBUS請求。在單播模式下，主站尋址單個從站。從站接收并處理完請求后，向主站返回一個應答。而對于廣播模式的請求，主站可以向所用從站發(fā)送請求，但該請求必須是寫命令，且從站沒有應答返回。

2.2.2 MODBUS總線兩種串行傳輸模式

傳輸模式定義了鏈路上串行傳送報文域的位內容，并確定了信息是怎樣打包為報文及如何解碼。MODBUS有兩種串行傳輸模式，即RTU模式和ASCII模式。

●ASCII傳輸模式

在ASCII模式中，用兩個ASCII字符發(fā)送報文中的一個8位字節(jié)。報文中用特定的字符表示起始和結束。這種模式的主要優(yōu)點是允許兩個字符之間的時間間隔可達到1秒而不發(fā)送錯誤。如果出現(xiàn)更大的間隔，則正在接收的設備認為出現(xiàn)錯誤。表2.1所示為ASCII模式字符中的位序列。每個字節(jié)包括1個起始位(邏輯0)、7個數(shù)據(jù)位(首先發(fā)送最低有效位)、1個奇偶校驗位和一個停止位(邏輯1 )。其中，奇偶校驗位默認為偶檢驗，為保證最大兼容性，也可選擇奇校驗或無校驗(用一個停止位填充)。

ASCII模式的錯誤校驗采用縱向冗余校驗(Longitudinal Redundancy Check-LRC)。報文以一個冒號(：)字符開始，即ASCII碼3AH;并且以一個回車換行符(CRLF)結束，即ASCII碼0DH和0AH.網(wǎng)絡設備不斷檢測網(wǎng)絡總線上的“：”字符，當一個冒號被接收到時，每個設備都解碼下個域(地址域)來查明是否是被訪問的設備。ASCII報文幀格式如表2 .2所示：

●RTU傳輸模式

在RTU( Remote Termina lUint -遠程終端設備)模式下，一個報文中的每個字節(jié)包含兩個4位的十六進制字符。這種模式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，它的高字符密度運行比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)，具有比ASCII模式更高的吞吐率。在本設計中采用RTU傳輸方式。表2 .3所示為RT U模式字符中的位序列。每個字節(jié)包括1個起始位(邏輯0 )、8個數(shù)據(jù)位(首先發(fā)送最低有效位)、1個奇偶校驗位和一個停止位(邏輯1 )。其中，奇偶校驗位默認為偶檢驗，為保證最大兼容性，也可選擇奇校驗或無校驗(用一個停止位填充)。

RTU報文幀格式如表2.4所示。典型的RTU報文幀沒有起始位，也沒有停止位，而是以至少3.5個字符時間的停頓間隔標志一幀的開始或結束。報文幀由地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗域構成。所有字符由16進制0-9，A-F組成。RTU報文幀格式如圖2 .5所示：

在RTU模式中，整個報文幀必須作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸。如果在報文幀完成之前有超過1.5個字符時間停頓間隔發(fā)生，接收設備將刷新未完成的報文并假定下一個字節(jié)將是一個新報文的地址域。同樣地，如果一個新報文在小于3.5個字符時間內緊跟前一個報文開始，接收設備將認為它是前一個報文的延續(xù)。這些都會導致傳輸?shù)膱笪腻e誤。

消息幀的地址域包含一個8Bit.可能的從設備地址是0-247(十進制)。單個設備的地址范圍是1- 247.主設備通過將要聯(lián)絡的從設備的地址放入消息中的地址域來選通從設備。當從設備發(fā)送回應消息時，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個設備作出回應。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設備都能認識。當Modbus協(xié)議用于更高水準的網(wǎng)絡，廣播可能不允許或以其它方式代替。

2.3錯誤檢測域

當選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16 Bits值(用兩個8位的字符來實現(xiàn))。錯誤檢測域的內容是通過對消息內容進行循環(huán)冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(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可以表示為二進制數(shù)11000000000000101.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(無進位)。

習慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設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)送首位應是被除數(shù)的最高有效位MSB.由于在運算中不用進位，為便于操作起見，計算CRC時設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) 16位CRC寄存器置成FFFFH

(2)第一個8位數(shù)據(jù)與CRC寄存器低8位進行異或運算，結果放入CRC寄存器;

(3) CRC寄存器向右移一位，HSB填零，檢查LSB ;

(4)(若LSB為0 )：重復3，再右移一位。(若LSB為1 )：CRC寄存器與oxA001進行異或運算;

(5)重復3和4直至完成8次移位，完成8位字節(jié)的處理;

(6)報文的下一個字節(jié)重復2至5步，直至全部字節(jié)處理完畢

(7) CRC寄存器的最終值為CRC值;

(8)把CRC值放入信息時，高8位和低8位應分開放置。

CRC碼生成流程圖如圖2 .2所示：

2.4 MODBUS應用層協(xié)議

2.4.1 MODBUS功能碼

MODBUS功能碼是MODBUS請求/應答PDU(Protocol Description Unit)的元素。PDU中用一個字節(jié)編碼MODBUS功能碼域，有效的碼字范圍是十進制1～255，其中128～255為異常相應保留。MODBUS定義了三類功能碼：

(1)公共功能碼：由Modbus.org確認的，被確切定義并保證唯一的功能碼。此類功能碼在MBIETFRFC中歸檔，可進行一致性測試。

(2)用戶定義的功能碼：十進制區(qū)間65～72和100～110為用戶可自定義的功能碼。在此區(qū)間內，用戶無需Modbus組織的任何批準就可以選擇和實現(xiàn)一個功能碼，但不能保證被選功能碼的使用是唯一的。用戶可啟動RFC將改變引入公共分類中，并且指配一個新的功能碼。

(3 )保留功能碼：某些公司在傳統(tǒng)產品上使用的功能碼，不作為公共使用。已定義的Modbus公共功能碼按其功能可分為數(shù)據(jù)訪問類和異常響應及診斷類兩部分。數(shù)據(jù)訪問類功能碼實現(xiàn)對輸入離散量、線圈的位訪問，對寄存器、FIFO隊列的16位訪問以及對文件記錄的讀寫。診斷類功能碼提供了讀異常狀態(tài)、設備標識等功能。表2.5給出了Modbus公共功能碼的定義。

2.4.2 MODBUS異常響應

當客戶機設備向服務器設備發(fā)送請求時，主站的詢問可能導致下列四種事件：

(1)服務器設備接收到無通信錯誤的請求，并且可以正常地處理詢問，那么服務器設備將返回一個正常的響應。

(2)由于通訊錯誤，服務器沒有接收到請求，那么不能返回響應?？蛻魴C程序將視之為超時。

(3)服務器接收到請求，但是檢測到一個通信錯誤(奇偶檢驗、LRC、CRC等)，那么不能返回響應?？蛻魴C程序將視之為超時。

(4)服務器接收到無通信錯誤的請求，但不能處理這個請求(例如，請求讀一個不存在的寄存器)，服務器將返回一個異常響應，通知客戶機錯誤的實際情況。

異常響應報文時通過功能碼域和數(shù)據(jù)域區(qū)別于正常響應。對于功能碼域，正常響應的服務器復制原始請求的功能碼，即所有功能碼的MSB都為0;異常響應的服務器設置功能碼的MSB為1，即使得異常響應中的功能碼值比正常響應中的功能碼值高80H.對于數(shù)據(jù)域，正常響應的服務器將返回請求中要求的信息;異常響應的服務器返回異常碼?？蛻魴C通過響應報文中功能碼的MSB識別異常響應，并能夠檢測數(shù)據(jù)域中的異常碼。表2 .6給出了Modbus異常碼及其含義。