現(xiàn)場總線的開關(guān)量I/O模塊的設(shè)計(jì)：MODBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)

2 MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)綜述

2.1 MODBUS總線技術(shù)簡介和特點(diǎn)

MODBUS是Modicon公司1979年最先倡導(dǎo)的一種通信協(xié)議，經(jīng)過許多公司的實(shí)際應(yīng)用，逐漸被認(rèn)可，成為一種應(yīng)用于工業(yè)控制器上的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信。連接單個(gè)分散的測量控制設(shè)備，使之可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)易于處理、節(jié)約硬件設(shè)備、易于安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個(gè)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(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)分配唯一的地址。工作時(shí)可以采用命令/應(yīng)答的通訊方式。MODBUS通訊總是由主站發(fā)起請求，所有的從設(shè)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(shè)備對該請求幀進(jìn)行進(jìn)一步解析，并回應(yīng)應(yīng)答幀。若解析后校驗(yàn)的結(jié)果出錯(cuò)，從站向主機(jī)發(fā)送出錯(cuò)信號。一般情況下，當(dāng)主機(jī)收到出錯(cuò)應(yīng)答或在用戶設(shè)定的時(shí)間內(nèi)仍未收到響應(yīng)報(bào)文時(shí)，主站就會立即重發(fā)信息給從設(shè)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(shí)，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(shí)刻主站只能啟動一個(gè)MODBUS事務(wù)處理。

數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，將報(bào)文作為一幀數(shù)據(jù)，報(bào)文是由發(fā)送地址、控制信息、發(fā)送數(shù)據(jù)、校驗(yàn)信息按一定格式組成的一個(gè)數(shù)據(jù)單元。主設(shè)備發(fā)出的請求幀和從設(shè)備發(fā)出的應(yīng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)用。當(dāng)只需要短距離的點(diǎn)到點(diǎn)通信時(shí)，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(luò)模型的對應(yīng)關(guān)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(gè)主/從協(xié)議?；诖墟溌穼?shí)現(xiàn)的MODBUS系統(tǒng)中，有且僅有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)(客戶機(jī)、主站)能夠向其他從節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求報(bào)文并處理響應(yīng)，從節(jié)點(diǎn)在沒有收到主站的請求時(shí)并不主動向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，也不與其他從節(jié)點(diǎn)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(gè)從站。從站接收并處理完請求后，向主站返回一個(gè)應(yīng)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(yīng)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(bào)文域的位內(nèi)容，并確定了信息是怎樣打包為報(bào)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(gè)ASCII字符發(fā)送報(bào)文中的一個(gè)8位字節(jié)。報(bào)文中用特定的字符表示起始和結(jié)束。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是允許兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不發(fā)送錯(cuò)誤。如果出現(xiàn)更大的間隔，則正在接收的設(shè)備認(rèn)為出現(xiàn)錯(cuò)誤。表2.1所示為ASCII模式字符中的位序列。每個(gè)字節(jié)包括1個(gè)起始位(邏輯0)、7個(gè)數(shù)據(jù)位(首先發(fā)送最低有效位)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位(邏輯1 )。其中，奇偶校驗(yàn)位默認(rèn)為偶檢驗(yàn)，為保證最大兼容性，也可選擇奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)(用一個(gè)停止位填充)。

ASCII模式的錯(cuò)誤校驗(yàn)采用縱向冗余校驗(yàn)(Longitudinal Redundancy Check-LRC)。報(bào)文以一個(gè)冒號(：)字符開始，即ASCII碼3AH;并且以一個(gè)回車換行符(CRLF)結(jié)束，即ASCII碼0DH和0AH.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷檢測網(wǎng)絡(luò)總線上的“：”字符，當(dāng)一個(gè)冒號被接收到時(shí)，每個(gè)設(shè)備都解碼下個(gè)域(地址域)來查明是否是被訪問的設(shè)備。ASCII報(bào)文幀格式如表2 .2所示：

●RTU傳輸模式

在RTU( Remote Termina lUint -遠(yuǎn)程終端設(shè)備)模式下，一個(gè)報(bào)文中的每個(gè)字節(jié)包含兩個(gè)4位的十六進(jìn)制字符。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，它的高字符密度運(yùn)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(shè)計(jì)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(gè)字節(jié)包括1個(gè)起始位(邏輯0 )、8個(gè)數(shù)據(jù)位(首先發(fā)送最低有效位)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位(邏輯1 )。其中，奇偶校驗(yàn)位默認(rèn)為偶檢驗(yàn)，為保證最大兼容性，也可選擇奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)(用一個(gè)停止位填充)。

RTU報(bào)文幀格式如表2.4所示。典型的RTU報(bào)文幀沒有起始位，也沒有停止位，而是以至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔標(biāo)志一幀的開始或結(jié)束。報(bào)文幀由地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗(yàn)域構(gòu)成。所有字符由16進(jìn)制0-9，A-F組成。RTU報(bào)文幀格式如圖2 .5所示：

在RTU模式中，整個(gè)報(bào)文幀必須作為一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸。如果在報(bào)文幀完成之前有超過1.5個(gè)字符時(shí)間停頓間隔發(fā)生，接收設(shè)備將刷新未完成的報(bào)文并假定下一個(gè)字節(jié)將是一個(gè)新報(bào)文的地址域。同樣地，如果一個(gè)新報(bào)文在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)緊跟前一個(gè)報(bào)文開始，接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一個(gè)報(bào)文的延續(xù)。這些都會導(dǎo)致傳輸?shù)膱?bào)文錯(cuò)誤。

消息幀的地址域包含一個(gè)8Bit.可能的從設(shè)備地址是0-247(十進(jìn)制)。單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1- 247.主設(shè)備通過將要聯(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)備作出回應(yīng)。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識。當(dāng)Modbus協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。

2.3錯(cuò)誤檢測域

當(dāng)選用RTU模式作字符幀，錯(cuò)誤檢測域包含一16 Bits值(用兩個(gè)8位的字符來實(shí)現(xiàn))。錯(cuò)誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進(jìn)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(shí)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(gè)字節(jié)。

CRC-16錯(cuò)誤校驗(yàn)程序如下：報(bào)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(yàn)位)被看作是一個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制，其最高有效位( MSB )首選發(fā)送。報(bào)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)11000000000000101.整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報(bào)文( MSB先發(fā)送)，成為2個(gè)CRC校驗(yàn)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(bào)文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報(bào)文，若無錯(cuò)誤，到接收設(shè)備后再被同一多項(xiàng)式( X↑16+ X↑15 + X↑2 + 1)除，會得到一個(gè)零余數(shù)(接收設(shè)備核驗(yàn)這個(gè)CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較)。全部運(yùn)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(yùn)算中不用進(jìn)位，為便于操作起見，計(jì)算CRC時(shí)設(shè)MSB在最右位。生成多項(xiàng)式的位序也必須反過來，以保持一致。多項(xiàng)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(yàn)字節(jié)的步驟如下：

(1) 16位CRC寄存器置成FFFFH

(2)第一個(gè)8位數(shù)據(jù)與CRC寄存器低8位進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)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(fù)3，再右移一位。(若LSB為1 )：CRC寄存器與oxA001進(jìn)行異或運(yùn)算;

(5)重復(fù)3和4直至完成8次移位，完成8位字節(jié)的處理;

(6)報(bào)文的下一個(gè)字節(jié)重復(fù)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(shí)，高8位和低8位應(yīng)分開放置。

CRC碼生成流程圖如圖2 .2所示：

2.4 MODBUS應(yīng)用層協(xié)議

2.4.1 MODBUS功能碼

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

(1)公共功能碼：由Modbus.org確認(rèn)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(jìn)行一致性測試。

(2)用戶定義的功能碼：十進(jìn)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(nèi)，用戶無需Modbus組織的任何批準(zhǔn)就可以選擇和實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)新的功能碼。

(3 )保留功能碼：某些公司在傳統(tǒng)產(chǎn)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(yīng)及診斷類兩部分。數(shù)據(jù)訪問類功能碼實(shí)現(xiàn)對輸入離散量、線圈的位訪問，對寄存器、FIFO隊(duì)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(shè)備標(biāo)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(yīng)

當(dāng)客戶機(jī)設(shè)備向服務(wù)器設(shè)備發(fā)送請求時(shí)，主站的詢問可能導(dǎo)致下列四種事件：

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

(2)由于通訊錯(cuò)誤，服務(wù)器沒有接收到請求，那么不能返回響應(yīng)?？蛻魴C(jī)程序?qū)⒁曋疄槌瑫r(shí)。

(3)服務(wù)器接收到請求，但是檢測到一個(gè)通信錯(cuò)誤(奇偶檢驗(yàn)、LRC、CRC等)，那么不能返回響應(yīng)。客戶機(jī)程序?qū)⒁曋疄槌瑫r(shí)。

(4)服務(wù)器接收到無通信錯(cuò)誤的請求，但不能處理這個(gè)請求(例如，請求讀一個(gè)不存在的寄存器)，服務(wù)器將返回一個(gè)異常響應(yīng)，通知客戶機(jī)錯(cuò)誤的實(shí)際情況。

異常響應(yīng)報(bào)文時(shí)通過功能碼域和數(shù)據(jù)域區(qū)別于正常響應(yīng)。對于功能碼域，正常響應(yīng)的服務(wù)器復(fù)制原始請求的功能碼，即所有功能碼的MSB都為0;異常響應(yīng)的服務(wù)器設(shè)置功能碼的MSB為1，即使得異常響應(yīng)中的功能碼值比正常響應(yīng)中的功能碼值高80H.對于數(shù)據(jù)域，正常響應(yīng)的服務(wù)器將返回請求中要求的信息;異常響應(yīng)的服務(wù)器返回異常碼。客戶機(jī)通過響應(yīng)報(bào)文中功能碼的MSB識別異常響應(yīng)，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。