WithCoderWithCoderWithCoder

Modbus协议简介

    一、Modbus 通信协议简介 

    Modbus是一种串行通信协议,是Modicon公司(现在的施耐德电气 Schneider Electric)于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准(De facto),并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。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。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程,如何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。 

    当在一个Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器必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。

    Modbus协议是一项应用层报文传输协议,包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。

    标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口,采用master/slave方式通信。

    协议在一根通讯线上使用应答式连接(半双工),这意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。首先,主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备(从机),然后,在相反的方向上终端设备发出的应答信号传输给主机。 协议只允许在主计算机和终端设备之间,而不允许独立的设备之间的数据交换,这就不会在使它们初始化时占据通讯线路,而仅限于响应到达本机的查询信号。    

    1.1 在Modbus网络上转输

    标准的Modbus口是使用 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,即仅一个设备(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,从设备返回一个消息作为回应;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、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错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。

    1.2 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”。如果控制器发送一条消息,它只是作为主设备,并期望从从设备得到回应。同样,当控制器接收到一条消息,它将建立一个从设备回应格式并返回给发送的控制器。

    1.3 查询—回应周期

    1-200519120U2301.png

    1.3.1 查询

    查询消息中的功能代码通知被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息:从何寄存器开始读以及要读的寄存器数量。错误校验码为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

    1.3.2 回应

    如果从设备产生一条正常的回应,在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据:像寄存器值或状态。如果有错误发生,功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的,同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误校验码允许主设备确认消息内容是否可用。

    二、两种传输方式

    控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式,包括串口通信参数(波特率、校验方式等),在配置每个控制器的时候,在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。

    ASCII模式

    Modbus协议简介(图2)

    RTU模式

    Modbus协议简介(图3)

    所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络,它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上(像MAP和Modbus Plus)Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。

    2.1 ASCII模式

    当控制器设为在Modbus网络上以ASCII(美国标准信息交换代码)模式通信,在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

    2.1.1 代码系统

        十六进制,ASCII字符0...9,A...F

        消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成

    2.1.2 每个字节的位

        1个起始位

        7个数据位,最小的有效位先发送

        1个奇偶校验位,无校验则无

        1个停止位(有校验时),2个Bit(无校验时)

    2.1.3 错误检测域

        LRC(纵向冗长检测)

    2.2 RTU模式

    当控制器设为在Modbus网络上以RTU(远程终端单元)模式通信,在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。

    2.2.1 代码系统

        8位二进制,十六进制数0...9,A...F

        消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成

    2.2.2 每个字节的位

        1个起始位

        8个数据位,最小的有效位先发送

        1个奇偶校验位,无校验则无

        1个停止位(有校验时),2个Bit(无校验时)

    2.2.3 错误检测域

        CRC(循环冗长检测)

    三、Modbus消息帧

    两种传输模式中(ASCII或RTU),传输设备以将Modbus消息转为有起点和终点的帧,这就允许接收的设备在消息起始处开始工作,读地址分配信息,判断哪一个设备被选中(广播方式则传给所有设备),判断何时信息已完成。部分的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。

    3.1 ASCII帧

    使用ASCII模式,消息以冒号(:)字符(ASCII码 3AH)开始,以回车换行符结束(ASCII码 0DH,0AH)。

    其它域可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。网络上的设备不断侦测“:”字符,当有一个冒号接收到时,每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否发给自己的。

    消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1秒,否则接收的设备将认为传输错误。一个典型消息帧如下所示:

    Modbus协议简介(图4)

    3.2 RTU帧

    使用RTU模式,消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间,这是最容易实现的(如下图的T1-T2-T3-T4所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。网络设备不断侦测网络总线,包括停顿间隔时间内。当第一个域(地址域)接收到,每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后,一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。

    整个消息帧必须作为连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间,接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地,如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始,接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误,因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。典型的消息帧如下所示: 

    Modbus协议简介(图5)

    3.3 地址域

    消息帧的地址域包含两个字符(ASCII)或8Bit(RTU)。可能的从设备地址是0...247 (十进制)。单个设备的地址范围是1...247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时,它把自己的地址放入回应的地址域中,以便主设备知道是哪一个设备作出回应。 

    地址0是用作广播地址,以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于更高水准的网络,广播可能不允许或以其它方式代替。

    3.4 如何处理功能域

    消息帧中的功能代码域包含了两个字符(ASCII)或8Bits(RTU)。可能的代码范围是十进制的1...255。当然,有些代码是适用于所有控制器,有此是应用于某种控制器,还有些保留以备后用。 

    当消息从主设备发往从设备时,功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取输入的开关状态,读一组寄存器的数据内容,读从设备的诊断状态,允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。 

    当从设备回应时,它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生(称作异议回应)。对正常回应,从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应,从设备返回一等同于正常代码的代码,但最重要的位置为逻辑1。

    例如:从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器,将产生如下功能代码:0 0 0 0 0 0 1 1 (十六进制03H)

    对正常回应,从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应,它返回:1 0 0 0 0 0 1 1 (十六进制83H)

    除功能代码因异议错误作了修改外,从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域中,这能告诉主设备发生了什么错误。

    主设备应用程序得到异议的回应后,典型的处理过程是重发消息,或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。

    3.5 数据域

    数据域是由两个十六进制数集合构成的,范围00...FF。根据网络传输模式,这可以是由一对ASCII字符组成或由一RTU字符组成。

    从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息:从设备必须用于进行执行由功能代码所定义的所为。这包括了像不连续的寄存器地址,要处理项的数目,域中实际数据字节数。

    例如,如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器(功能代码03),数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备的寄存器(功能代码10十六进制),数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的寄存器数量,数据域的数据字节数,要写入寄存器的数据。

    如果没有错误发生,从从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生,此域包含异议代码,主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。

    在一些消息中数据域可以是不存在的(0长度)。例如,主设备要求从设备回应通信事件记录(功能代码0B十六进制),从设备不需任何附加的信息。

    3.6 错误检测域

    标准的Modbus网络有两种错误检测方法。错误检测域的内容视所选的检测方法而定。

    ASCII

        当选用ASCII模式作字符帧,错误检测域包含两个ASCII字符。这是使用LRC(纵向冗长检测)方法对消息内容计算得出的,不包括开始的冒号符及回车换行符。LRC字符附加在回车换行符前面。

    RTU

        当选用RTU模式作字符帧,错误检测域包含一个16Bits值(用两个8位的字符来实现)。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。CRC域附加在消息的最后,添加时先是低字节然后是高字节。故CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节。

    3.7 字符的连续传输

    当消息在标准的Modbus系列网络传输时,每个字符或字节以如下方式发送(从左到右):

最低有效位...最高有效位

    使用ASCII字符帧时,位的序列是:

    有奇偶校验

    Modbus协议简介(图6)

    无奇偶校验

    Modbus协议简介(图7)

    使用RTU字符帧时,位的序列是:

    有奇偶校验

    Modbus协议简介(图8)

    无奇偶校验

    Modbus协议简介(图9)

    四、错误检测方法

    标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用,帧检测(LRC或CRC)应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的,从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。

    用户要给主设备配置一个预先定义的超时时间间隔,这个时间间隔要足够长,以使任何从设备都能作为正常反应。如果从设备测到一传输错误,消息将不会接收,也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。

    4.1 奇偶校验

    用户可以配置控制器是奇或偶校验,或无校验。这将决定了每个字符中的奇偶校验位是如何设置的。

    如果指定了奇或偶校验,“1”的位数将算到每个字符的位数中(ASCII模式7个数据位,RTU中8个数据位)。例如RTU字符帧中包含以下8个数据位:1 1 0 0 0 1 0 1

    整个“1”的数目是4个。如果使用了偶校验,帧的奇偶校验位将是0,便得整个“1”的个数仍是4个。如果便用了奇校验,帧的奇偶校验位将是1,便得整个“1”的个数是5个。

    如果没有指定奇偶校验位,传输时就没有校验位,也不进行校验检测。代替附加的停止位填充至要传输的字符帧中。

    4.2 LRC检测 

    使用ASCII模式,消息包括了一个基于LRC方法的错误检测域。LRC域检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。

    LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中,接收设备在接收消息的过程中计算LRC,并将它和接收到消息中LRC域中的值比较,如果两值不等,说明有错误。

    LRC方法是将消息中的8Bit的字节连续累加,丢弃了进位。

    4.3 CRC检测

    使用RTU模式,消息包括了一基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测了整个消息的内容。

    CRC域是两个字节,包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC,并与接收到的CRC域中的值比较,如果两值不同,则有误。

    CRC是先调入一个值是全“1”的16位寄存器,然后调用一个将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效,起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。

    CRC产生过程中,每个8位字符都单独和寄存器内容相或(OR),结果向最低有效位方向移动,最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测,如果LSB为1,寄存器单独和预置的值或一下,如果LSB为0,则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位(第8位)完成后,下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值,是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。

    CRC添加到消息中时,低字节先加入,然后高字节。

    五、MODBUS RTU 通讯协议及编程

    ModBus通讯协议分为RTU协议和ASCII协议,目前多种仪表都采用ModBus RTU通讯协议,如:CH2000智能电力监测仪、CH2000M电力参数采集模块、巡检表、数显表、光柱数显表等。下面就ModBus RTU协议简要介绍如下:

    5.1 通讯协议

    5.1.1 通讯传送方式

    通讯传送分为独立的信息头,和发送的编码数据。以下的通讯传送方式定义也与MODBUS RTU通讯规约相兼容:

    Modbus协议简介(图10)

    初始结构 = ≥4字节的时间 

    地址码 = 1 字节

    功能码 = 1 字节

    数据区 = N 字节

    错误校检 = 16位CRC码 

    结束结构 = ≥4字节的时间

    地址码

        地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码,并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址,而从机发送的地址码表明回送的从机地址。

    功能码

        通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。作为主机请求发送,通过功能码告诉从机执行什么动作;作为从机响应,从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样,表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为1(比如功能码大与此同时127),则表明从机没有响应操作或发送出错。

    数据区

        数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。

    CRC码:

        二字节的错误检测码。

    5.1.2 通讯规约

    当通讯命令发送至仪器时,符合相应地址码的设备接通讯命令,并除去地址码,读取信息,如果没有出错,则执行相应的任务;然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。如果出错就不发送任何信息。

    信息帧结构

    Modbus协议简介(图11)

    功能码描述

    Modbus协议简介(图12)

    地址码

        地址码是信息帧的第一字节(8位),从0到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码,并且只有符合地址码的从机才能响应回送。当从机回送信息时,相当的地址码表明该信息来自于何处。

    功能码:

        主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。表“功能码描述”中列出的功能码都有具体的含义及操作。

    数据区:

        数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如,功能码告诉从机读取寄存器的值,则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机,地址和数据信息都不相同。

    错误校验码:

        主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时,由于电子噪声或其它一些干扰,信息在传输过程中会发生细微的变化,错误校验码保证了主机或从机对在传送过程中出错的信息不起作用。这样增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。

    注:信息帧的格式都基本相同:地址码、功能码、数据区和错误校验码。

    5.2 错误校验

    冗余循环码(CRC)包含2个字节,即16位二进制。CRC码由发送设备计算,放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的 CRC码,比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符,如果两者不相符,则表明出错。

    CRC码的计算方法是,先预置16位寄存器全为1。再逐步把每8位数据信息进行处理。在进行CRC码计算时只用8位数据位,起始位及停止位,如有奇偶校验位的话也包括奇偶校验位,都不参与CRC码计算。

    在计算CRC码时,8位数据与寄存器的数据相异或,得到的结果向低位移一字节,用0填补最高位。再检查最低位,如果最低位为1,把寄存器的内容与预置数相异或,如果最低位为0,不进行异或运算。

    这个过程一直重复8次。第8次移位后,下一个8位再与现在寄存器的内容相相异或,这个过程与以上一样重复8次。当所有的数据信息处理完后,最后寄存器的内容即为CRC码值。CRC码中的数据发送、接收时低字节在前。

    计算CRC码的步骤为:

        1.预置16位寄存器为十六进制FFFF(即全为1)。称此寄存器为CRC寄存器;

        2.把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或,把结果放于CRC寄存器;

        3.把寄存器的内容右移一位(朝低位),用0填补最高位,检查最低位;

        4.如果最低位为0:重复第3步(再次移位); 如果最低位为1:CRC寄存器与多项式A001(1010 0000 0000 0001)进行异或;

        5.重复步骤3和4,直到右移8次,这样整个8位数据全部进行了处理;

        6.重复步骤2到步骤5,进行下一个8位数据的处理;

        7.最后得到的CRC寄存器即为CRC码。

    5.3 功能码03,读取点和返回值

    采用Modbus RTU通讯规约,利用通讯命令,可以进行读取点(“保持寄存器”) 或返回值(“输入寄存器” )的操作。保持和输入寄存器都是16位(2字节)值,并且高位在前。这样用于设备的读取点和返回值都是2字节。一次最多可读取寄存器数是60。由于一些可编程控制器不用功能码03,所以功能码03被用作读取点和返回值。从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区中的寄存器数据都是每两个字节高字节在前。

    5.4 功能码06,单点保存

    主机利用这条命令把单点数据保存到设备的存储器。从机也用这个功能码向主机返送信息。

    六、ModbusTCP

    IANA(Internet Assigned Numbers Authority,互联网编号分配管理机构)给Modbus协议赋予TCP端口号为502,这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。

    6.1 ModbusTCP数据帧

    在TCP/IP以太网上传输,支持Ethernet II和802.3两种帧格式。如图所示,Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分

    Modbus协议简介(图13)

    MBAP报文头(MBAP:Modbus Application Protocol、Modbus应用协议)分4个域,共7个字节,如图:

    Modbus协议简介(图14)

    事务处理标识/传输标志:

        modbus 请求/响应事务处理识别码,一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。

    协议标识符:

        00 00 表示ModbusTCP协议。

    长度:

        表示接下来的数据长度,单位为字节。

    单元标识符:

        设备地址,串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别码。

    6.2 ModbusTCP通信过程

        1. connect 建立TCP连接

        2. 准备modbus报文

        3. 使用send命令发送报文

        4. 在同一连接下等待应答

        5. 使用recv命令读取报文,完成一次数据交换

        6. 通信任务结束时,关闭TCP连接

    6.3 使用ModbusTCP原因

    TCP/IP已成为信息行业的事实标准:世界上93%的网络都使用TCP/IP,只要在应用层使用Modbus TCP,就可实现工业以太网数据交换;易于与各种系统互连:可用于管理网、实时监控网及现场设备通信;网络实施价格低廉:可全部使用通用网络部件;

    用户强烈要求:目前中国已把Modbus TCP作为工业网络标准之一,用户可免费获得协议及样板程序,可在Unix、Linux、Windows下运行,不需要专门驱动程序。在国外,Modbus TCP被国际半导体业SEMI定为网络标准,国际水处理、电力系统也把它作为应用的事实标准,还有越来越多行业作为标准来用。

    高速的数据:用户最关心的是所使用网络的传输能力,100M以太网的传输结果为:每秒4000个Modbus TCP报文,而每个报文可传输125个字(16bit),故相当于4000×125=500000个模拟量数据(8000000开关量!);

    厂家能提供完整解决方案:工业以太网的接线元件,包括工业集成器、工业交换机、工业收发器、工业连接电缆。工业以太网服务器,包括远程、分布式I/O扫描功能,设备地址IP的设置功能,故障设备在线更换。功能,分组的信息发布与订阅功能,网络动态监视功能,还有支持瘦客户机的Web服务。其他工控设备的支持:如工业用人机界面、变频器、软起动器、电动机控制中心、以太网I/O、各种现场总线的网桥、甚至带TCP/IPModbus的传感器,都为用户使用提供了方便。

欢迎分享交流,转载请注明出处:WithCoder » Modbus协议简介