MODBUS總線控系統(tǒng)的技術(shù)特征

MODBUS通訊協(xié)議是一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議，它定義的是一種設(shè)備控制器可以識(shí)別和使用的信息幀結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于物理層介質(zhì)，可以承載于多種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型中。MODBUS協(xié)議把通信參與者規(guī)定為“主站”(Master)和“從站”(Slave)，數(shù)據(jù)和信息的通信遵從主/從模式，當(dāng)它應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)時(shí)，信息被直接傳送。MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)智能設(shè)備通過(guò)異步串行總線連接起來(lái)，只允許一個(gè)控制器作為主站，其余智能設(shè)備作為從站。采用命令/應(yīng)答的通信方式，主站發(fā)出請(qǐng)求，從站應(yīng)答請(qǐng)求并送回?cái)?shù)據(jù)或狀態(tài)信息，從站不能夠自己發(fā)送信息。MODBUS協(xié)議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問(wèn)從站設(shè)備的過(guò)程，規(guī)定從站怎樣做出應(yīng)答響應(yīng)，以及檢查和報(bào)告?zhèn)鬏斿e(cuò)誤等。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從設(shè)備都必須分配給一個(gè)唯一的地址，只有符合地址要求的從設(shè)備才會(huì)響應(yīng)主設(shè)備發(fā)出的命令。

由于MODBUS總線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低，簡(jiǎn)單易用，并且現(xiàn)在已有很多工控器、PLC、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經(jīng)成為一種公認(rèn)的通信標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

MODBUS最初為PLC通信而設(shè)計(jì)，它通過(guò)24種總線命令實(shí)現(xiàn)PLC與外界的信息交換。這些總線命令對(duì)應(yīng)的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數(shù)據(jù)傳送。但不是很多MODBUS設(shè)備的控制只使用其中的幾條命令，對(duì)其余命令不做反應(yīng)。

1.MODBUS通信格式

MODBUS協(xié)議定義了兩種傳輸模式，即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU模式中，1字節(jié)的信息作為一個(gè)8位字符被發(fā)送，而在ASCII模式中則作為兩個(gè)ASCII字符被發(fā)送，如發(fā)送字符 “20”時(shí)，采用RTU模式時(shí)為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”+“00110000”(ASCII字符的 “2”和“0”)。可見(jiàn)，發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)時(shí)，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)量少而且主要是文本時(shí)采用ASCII;通信數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制數(shù)值時(shí)，多采用RTU模式。

主站一次可向一個(gè)或所有從站發(fā)送通信請(qǐng)求(或指令)，主設(shè)備通過(guò)消息幀的地址域來(lái)選通從設(shè)備。主站發(fā)送的消息幀的內(nèi)容和順序?yàn)椋簭恼镜刂?、功能碼、數(shù)據(jù)域(數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)內(nèi)容)、CRC校驗(yàn)碼;從站應(yīng)答的信息內(nèi)容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時(shí)還定義了出錯(cuò)碼，標(biāo)志出錯(cuò)信息。主站接收到錯(cuò)誤碼后，根據(jù)錯(cuò)誤的原因采取相應(yīng)的措施。從站應(yīng)答的數(shù)據(jù)內(nèi)容依據(jù)功能碼進(jìn)行響應(yīng)，例如功能代碼03要求讀取從站設(shè)備中保持寄存器的內(nèi)容。

2. CRC校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

MODBUS通信的RTU模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個(gè)字節(jié)用于傳遞CRC(Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn))碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進(jìn)行位移并進(jìn)行XOR(異或)計(jì)算，即可得到2字節(jié)的 CRC碼，并把包含CRC校驗(yàn)碼的信息幀作為一連續(xù)的流進(jìn)行傳輸。接收方在收到該信息幀時(shí)按同樣的方式進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果同收到的CRC碼的雙字節(jié)比較，如果一致就認(rèn)為通信正確，否則認(rèn)為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯(cuò)誤應(yīng)答。

RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗(yàn)方法，CRC-16的校驗(yàn)碼為16位(2字節(jié))，其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)有兩種方法：根據(jù)CRC校驗(yàn)的定義公式進(jìn)行計(jì)算，或者在程序中建立CRC校驗(yàn)值表。在程序中使用前者更容易實(shí)現(xiàn)，這里需要使用CRC生成多項(xiàng)式 X16+X15+X2+1。該多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)的碼組系數(shù)為18005H(16進(jìn)制)，去除最高位，對(duì)應(yīng)的16位余數(shù)為8005H，即為CRC-16常數(shù)。 CRC-16校驗(yàn)過(guò)程如下：將CRC寄存器的每一位預(yù)置為1;把該寄存器值與8bit的信息幀數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，結(jié)果存于該寄存器;對(duì)CRC寄存器從高到低進(jìn)行移位，在最高位(MSB)的位置補(bǔ)零，而最低位(LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC寄存器)如果為1，則把寄存器與CRC-16常數(shù)進(jìn)行異或，否則如果 LSB為零，則無(wú)需進(jìn)行異或。重復(fù)上述的由高至低的移位8次，第一個(gè)8bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時(shí)寄存器的值與下一個(gè)8bit數(shù)據(jù)異或并進(jìn)行如前一樣的8 次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內(nèi)的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時(shí)，先加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。

3. 鏈路特征

MODBUS標(biāo)準(zhǔn)的物理層可以采用RS-232串行通信方式，但在長(zhǎng)距離通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多點(diǎn)通信情況下只采用 RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系統(tǒng)采用屏蔽雙絞線，通信距離可達(dá)1000m。一條總線上最多可配置31個(gè)從站設(shè)備。傳輸線上的信息交換是半雙工的，即同時(shí)只能有一臺(tái)設(shè)備允許發(fā)送信息，主站在發(fā)送下一條指令之前等待從站回應(yīng)，從而避免了線路的沖突。

RTU模式的傳輸格式是1個(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位。通信數(shù)據(jù)安全由控制參數(shù)CRC-16碼保證。RTU接收設(shè)備依靠接收字符間經(jīng)過(guò)的時(shí)間判斷一幀的開(kāi)始，如果經(jīng)過(guò)3個(gè)半的字符時(shí)間后仍然沒(méi)有新的字符或者沒(méi)有完成幀，接收設(shè)備就會(huì)放棄該幀，并設(shè)下一個(gè)字符為新一幀的開(kāi)始。