Modbus協(xié)議的常用基本定義——(RS485總線系統(tǒng)應(yīng)用之2)

Modbus協(xié)議是一種應(yīng)用于電子控制器的通用通信規(guī)約。是由MODICON公司最先倡導(dǎo)并于1979年開發(fā)的，后來逐漸發(fā)展成為國際通用的通信標(biāo)準(zhǔn)。在我國，GB/Z 19582《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》于2004年9月發(fā)布，該指導(dǎo)性技術(shù)文件發(fā)布后得到了國內(nèi)自動(dòng)化產(chǎn)品生產(chǎn)廠家、自動(dòng)化系統(tǒng)集成商和廣大用戶的高度關(guān)注和重視，并極大地推動(dòng)了基于Modbus協(xié)議的產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。2006年4月，Modbus-IDA國際組織在中國正式授權(quán)建立了唯一的MODBUS(中國)產(chǎn)品一致性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室(MCTL)，為Modbus技術(shù)在中國的全面開發(fā)和應(yīng)用提供了硬件平臺(tái)支持。

　　按照全國工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)關(guān)于建立現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)體系的有關(guān)要求，有關(guān)部門于2007年11月完成了GB/Z 19582《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，將作為國家推薦標(biāo)準(zhǔn)上報(bào)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2008年3月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正式批準(zhǔn)為GB/T 19582-2008。

Modbus協(xié)議規(guī)定每個(gè)控制器必須有自己的設(shè)備地址。當(dāng)一個(gè)控制器在Modbus網(wǎng)絡(luò)上接收到一條消息時(shí)，首先要識(shí)別是否發(fā)給自己。如果是并且需要回應(yīng)，控制器將生成反饋消息并依據(jù)Modbus協(xié)議發(fā)出。

不論是何種控制器經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，Modbus協(xié)議定義了一個(gè)控制器能夠識(shí)別的消息域的框架結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的公共格式。它描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，以及如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求。還規(guī)定了如何偵測(cè)和記錄錯(cuò)誤。

遵循Modbus協(xié)議，不同廠家生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連接在同一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)設(shè)備可以方便地對(duì)各種控制設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，各控制設(shè)備之間也可以直接相互通信。

2. Modbus的兩種傳輸模式

Modbus的兩種傳輸模式分別是ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）和RTU（遠(yuǎn)程終端裝置）。用戶要實(shí)現(xiàn)Modbus網(wǎng)絡(luò)通信，必須選中一種傳輸模式并配置串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等）。在同一個(gè)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)。

當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，每個(gè)字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位...最高有效位。

2.1 ASCII模式

使用ASCII字符幀時(shí)，位的發(fā)送序列是：

有奇偶校驗(yàn)：

無奇偶校驗(yàn)：

ASCII模式編碼說明：

.消息中的每個(gè)字節(jié)都是一個(gè)ASCII字符，由兩位十六進(jìn)制字符組成：0...9，A...F

.每發(fā)送一個(gè)字節(jié)包含：

1個(gè)起始位、7個(gè)數(shù)據(jù)位(最小的有效位先發(fā)送)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位(無校驗(yàn)則無)、1個(gè)（有校驗(yàn)時(shí)）或2個(gè)停止位（無校驗(yàn)時(shí)）

.錯(cuò)誤檢測(cè)采用LRC(縱向冗長檢測(cè))

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII模式通信時(shí)，在消息中的每個(gè)字節(jié)(8Bit)都作為一個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。

ASCII模式的消息幀結(jié)構(gòu)：

2.2 RTU模式

使用RTU字符幀時(shí)，位的發(fā)送序列是：

有奇偶校驗(yàn)：

無奇偶校驗(yàn)：

RTU模式編碼說明：

.消息中的每個(gè)字節(jié)都是由兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成：0...9，A...F

.每發(fā)送一個(gè)字節(jié)包含：

1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位(最小的有效位先發(fā)送)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位(無校驗(yàn)則無)、1個(gè)（有校驗(yàn)時(shí)）或2個(gè)停止位（無校驗(yàn)時(shí)）

.錯(cuò)誤檢測(cè)采用CRC(循環(huán)冗長檢測(cè))

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信時(shí)，在消息中的每個(gè)字節(jié)(8Bit)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

RTU模式的消息幀結(jié)構(gòu)：

3. Modbus的消息幀結(jié)構(gòu)

在ASCII或RTU兩種傳輸模式中，傳輸設(shè)備將Modbus消息轉(zhuǎn)換為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就可以使接收設(shè)備在消息起始處同步接收數(shù)據(jù)，讀取地址信息，判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時(shí)信息已傳送完畢。有些消息也能偵測(cè)到錯(cuò)誤并且能返回結(jié)果。

3.1 ASCII幀

使用ASCII模式，每幀消息以冒號(hào)（:）字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符結(jié)束（ASCII碼0DH,0AH）。

其它域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測(cè)“:”字符，當(dāng)有一個(gè)冒號(hào)接收到時(shí)，每個(gè)從設(shè)備都解碼下個(gè)域（地址域）來判斷是否是發(fā)給自己的。

消息中字符間發(fā)送的時(shí)間間隔最長不能超過1秒，否則接收的設(shè)備將認(rèn)為傳輸錯(cuò)誤。一個(gè)典型消息幀如下所示：

3.2 RTU幀

使用RTU模式，每幀消息發(fā)送至少要有3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間的間隔停頓。不論在何種網(wǎng)絡(luò)波特率下，這是最容易實(shí)現(xiàn)的(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到時(shí)，每個(gè)從設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)給自己。在最后一個(gè)傳輸字節(jié)之后，應(yīng)至少停頓3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間以表示消息結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后再開始。

整個(gè)消息幀必須作為一個(gè)連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)，這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不可能是正確的。典型的消息幀如下所示：

3.3地址域

消息幀的地址域包含兩個(gè)字符（ASCII）或8Bit（RTU）。允許的從設(shè)備地址范圍是十進(jìn)制的0～247。主設(shè)備將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出的回應(yīng)。

地址0用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。當(dāng)Modbus協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，廣播可能被禁止或以其它方式代替。

3.4功能域

消息幀中的功能碼域包含了兩個(gè)字符（ASCII）或8Bits（RTU）?？赡艿拇a范圍是十進(jìn)制的1～255。有些功能碼適用于所有控制器，有些僅適應(yīng)用于某種控制器，還有些暫且保留以備后用，參見表1表2。