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

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

　　按照全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會關于建立現(xiàn)場總線標準體系的有關要求，有關部門于2007年11月完成了GB/Z 19582《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡規(guī)范》標準的修訂工作，將作為國家推薦標準上報國家標準化管理委員會，2008年3月國家標準化管理委員會正式批準為GB/T 19582-2008。

Modbus協(xié)議規(guī)定每個控制器必須有自己的設備地址。當一個控制器在Modbus網(wǎng)絡上接收到一條消息時，首先要識別是否發(fā)給自己。如果是并且需要回應，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)絡進行通信，Modbus協(xié)議定義了一個控制器能夠識別的消息域的框架結構和內(nèi)容的公共格式。它描述了一個控制器請求訪問其它設備的過程，以及如何回應來自其它設備的請求。還規(guī)定了如何偵測和記錄錯誤。

遵循Modbus協(xié)議，不同廠家生產(chǎn)的控制設備可以連接在同一個工業(yè)網(wǎng)絡。在這個網(wǎng)絡上，主機設備可以方便地對各種控制設備進行集中監(jiān)控，各控制設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（美國標準信息交換代碼）和RTU（遠程終端裝置）。用戶要實現(xiàn)Modbus網(wǎng)絡通信，必須選中一種傳輸模式并配置串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等）。在同一個Modbus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

當消息在標準的Modbus系列網(wǎng)絡傳輸時，每個字符或字節(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，位的發(fā)送序列是：

有奇偶校驗：

無奇偶校驗：

ASCII模式編碼說明：

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

.每發(fā)送一個字節(jié)包含：

1個起始位、7個數(shù)據(jù)位(最小的有效位先發(fā)送)、1個奇偶校驗位(無校驗則無)、1個（有校驗時）或2個停止位（無校驗時）

.錯誤檢測采用LRC(縱向冗長檢測)

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡上以ASCII模式通信時，在消息中的每個字節(jié)(8Bit)都作為一個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。

ASCII模式的消息幀結構：

2.2 RTU模式

使用RTU字符幀時，位的發(fā)送序列是：

有奇偶校驗：

無奇偶校驗：

RTU模式編碼說明：

.消息中的每個字節(jié)都是由兩個十六進制字符組成：0...9，A...F

.每發(fā)送一個字節(jié)包含：

1個起始位、8個數(shù)據(jù)位(最小的有效位先發(fā)送)、1個奇偶校驗位(無校驗則無)、1個（有校驗時）或2個停止位（無校驗時）

.錯誤檢測采用CRC(循環(huán)冗長檢測)

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡上以RTU模式通信時，在消息中的每個字節(jié)(8Bit)包含兩個4Bit的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

RTU模式的消息幀結構：

3. Modbus的消息幀結構

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

3.1 ASCII幀

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

其它域可以使用的傳輸字符是十六進制的0...9,A...F。網(wǎng)絡上的設備不斷偵測“:”字符，當有一個冒號接收到時，每個從設備都解碼下個域（地址域）來判斷是否是發(fā)給自己的。

消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1秒，否則接收的設備將認為傳輸錯誤。一個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個字節(jié)時間的間隔停頓。不論在何種網(wǎng)絡波特率下，這是最容易實現(xiàn)的(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。傳輸?shù)牡谝粋€域是設備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M制的0...9,A...F。網(wǎng)絡上的設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，當?shù)谝粋€域（地址域）接收到時，每個從設備都進行解碼以判斷是否發(fā)給自己。在最后一個傳輸字節(jié)之后，應至少停頓3.5個字節(jié)時間以表示消息結束。一個新的消息可在此停頓后再開始。

整個消息幀必須作為一個連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣，如果一個新消息在小于3.5個字節(jié)時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)，這將導致一個錯誤，因為在最后的CRC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字符（ASCII）或8Bit（RTU）。允許的從設備地址范圍是十進制的0～247。主設備將要聯(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的回應。

地址0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)絡時，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字符（ASCII）或8Bits（RTU）?？赡艿拇a范圍是十進制的1～255。有些功能碼適用于所有控制器，有些僅適應用于某種控制器，還有些暫且保留以備后用，參見表1表2。