modbus通讯协议论文

modbus通讯协议论文内容摘要：

设计（论文） 4 在其它类型网络上传输 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”。 如果以控制器发送消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。 同样，当控制器接收到消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。 查询 — 回应周期 图 主 — 从查询回应周期表 1 查询 查询消息中的功能代码告之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知从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。 错误检测域为从设备提供了一种验证消息的内容是否正确的方法。 2 回应 如果从设备产生一种正常的回应， 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：象寄存器值或状态。 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。 错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。 接口方式 RS48 422 或 RS232 接口：异步，半双工。 默认数据格式： 8 位数据位、偶校验、一位停止位， 19200bps， RTU。 可设置为 38400 波特率、 19200bps、 9600bps、 4800bps、1200bps；最高可设置波特率位 38400bps。 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 5 数据域：支持 2255 个字节（ ASCII 模式）、 252 字节（ RTU 模式） GCM 系列 PLC有两个通信口，其通信口 0（也作为编程口）支持 Modbus 从站，通信口 1 支持 Modbus主站和从站（可有后台软件设置）。 RS232 串行接口标准 目前 RS232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。 RS232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。 RS232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯 图 DB25 连接器引脚 收、发端的数据信号是相对于信号地，如从 DTE 设备发出的数据在使用 DB25 连接器时是 2 脚相对 7 脚（信号地）的电平， DB25 各引脚定义参见图。 典型的 RS232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 +5～ +15V，负电平在 5～ 15V 电平。 当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS232 电平再返回 TTL 电平。 接收 器典型的工作电平在 +3～+12V 与 3～ 12V。 由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为20kb/s。 RS232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 3～ 7kΩ。 所以 RS232 适合本地设备之间的通信。 其有关电气参数参见表 11。 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 6 表 11 RS232 电气参数 规定 RS232 RS422 R485 工作方式 单端 差分 差分 节点数 1 收、 1 发 1 发 10 收 1 发 32 收 最大传 输电缆长度 50 英尺 400 英尺 400 英尺 最大传输速率 20Kb/S 10Mb/s 10Mb/s 最大驱动输出电压 +/25V ～+6V 7V～ +12V 驱动器输出信号电平 (负载最小值 ) 负载 +/5V～ +/15V +/ +/ 驱动器输出信号电平 (空载最大值 ) 空载 +/25V +/6V +/6V 驱动器负载阻抗 (Ω) 3K～ 7K 100 54 摆率 (最大值 ) 30V/μs N/A N/A 接收器输入电压范围 +/15V 10V～+10V 7V～ +12V 接收器输入门限 +/3V +/200mV +/200mV 接收器输入电阻 (Ω) 3K～ 7K 4K(最小 ) ≥12K 驱动器共模电压 3V～ +3V 1V～ +3V 接收器共模电压 7V～ +7V 7V～ +12V RS422 与 RS485 串行接口标准 1．平衡传输 RS42 RS485 与 RS232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B，如图。 图 RS422/485 信号传输 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 7 通常情况下，发送驱动器 A、 B 之间的正电平在 +2～ +6V，是一个逻辑状态，负电平在 2～ 6V，是另一个逻辑状态。 另有一个信号地 C，在 RS485 中还有一 “ 使能 ”端，而在 RS422 中这是可用可不用的。 “ 使能 ” 端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。 当 “ 使能 ” 端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作 “ 第三态 ” ，即它是有别于逻辑 “ 1” 与 “ 0” 的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将 AA 与 BB 对应相连，当在收端 AB 之间有大于 +200mV 的电平时，输出正逻辑电平，小于 200mV 时，输出负逻辑电平。 接收器接收平衡线上的电平范围通常在 200mV 至 6V 之间。 参见图。 图 传输电压范围 2． RS422 电气规定 RS422 标准全称是 “ 平衡电压数字接口电路的电气特性 ” ，它定义了接口电路的特性。 图 是典型的 RS422 四线接口。 实际上还有一根信号地线，共 5 根线。 图 是其 DB9 连接器引脚定义。 由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 10 个节点。 即一个主设备（ Master），其余为从设备（ Salve），从设备之间不能通信，所以 RS422支持点对多的双向通信。 接收器输入阻抗为 4k，故发端最大负载能力是 104k+100Ω（终接电阻）。 RS422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（ XON/XOFF 握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）。 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 8 图 DB9 连接器引脚图 图 RS422 四线接口图 RS422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219 米），最大传输速率为 10Mb/s。 其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。 一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。 RS422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。 在矩距离传输时可不需终接电阻，即一 般在 300 米以下不需终接电阻。 终接电阻接在传输电缆的最远端。 RS422 有关电气参数见表 11。 3． RS485 电气规定 由于 RS485是从 RS422基础上发展而来的，所以 RS485许多电气规定与 RS422相仿。 如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。 RS485 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，参见图。 而采用四线连接时，与 RS422 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（ Master）设备，其余为从设备，但它比 RS422 有改进， 无论四线还 是二线连接方式总线上可多接到 32 个设备。 参见图。 图 RS485 二线制传输 图 RS485 四线制传输 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 9 RS485 与 RS422 的不同还在于其共模输出电压是不同的， RS485 是 7V 至 +12V之间，而 RS422 在 7V 至 +7V 之间， RS485 接收器最小输入阻抗为 12k 剑 鳵 S422是 4k 健 ； 旧峡梢运礡 RS485 满足所有 RS422 的规范，所以 RS485 的驱动器可以用在 RS422 网络中。 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 10 第二章 Modbus 通讯协议的格式 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 模式与 RTU 模式 ASCII 模式 ASCII 模式地址 功能代码 数据数量 数据 1 .. 数据 n LRC 高字节 LRC低字节 回车 换行 RTU模式 RTU 模式地址 功能代码 数据数量 数据 1 ... 数据 n CRC 高字节 CRC 低字节 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。 Modbus 消息帧 在两种传输模式中（ 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），判知何时信息已完成。 部分的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。 ASCII 帧 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： 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 11 表 21 ASCII 典型帧 起始位 设备地址 功能代码 数据 LRC 校验 结束符 1 个字符 2 个字符 2 个字符 n 个字符 2 个字符 2 个字符 RTU帧 RTU 帧使用 RTU 模式，消息发送至少要以 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。 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 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一连续的流转输。 如果在帧完成之前有超过 ，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 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： 表 22 RTU 典型 帧 起始位 设备地 址 功能代 码 数据 CRC 校验 结束符 T1T2T3T4 8Bit 8Bit N 个 8Bit 16Bit T1T2T3T4 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做出回应。 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。 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 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 12 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：一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。 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。 这包括了象不 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，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。 在某种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。 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 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。 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： 东北石油大学秦皇岛分校专 科生毕业设计（论文） 13 表 23 位顺序（ ASCII） 有奇偶校验 启始位 1 2 3 4 5 6 7 奇偶位 停止位 无奇偶校验 启始位 1 2 3 4 5 6 7 停止位。