嵌入式总线技术学习（二）：Modbus 总线技术详解

参考资料

• 工业控制网络

1. Modbus 概述

• Modbus 是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA (Interfacefor DistributedAutomation，分布式自动化接口) 组织并成立了 Modbus-IDA 组织。在中国，Modbus 已经成为国家标准 GB/T19582-2008

• Modbus 协议描述了控制器请求访问其他设备的过程、如何回应来自其他设备的请求以及怎样侦测错误并记录

• Modbus 协议是一种应用层协议，它定义了一种通用的消息格式，使得不同的设备之间可以进行数据交换和控制。该协议支持不同的物理层，如 RS-232、RS-422、RS-485 和以太网，因此可以应用于不同的设备和网络

1.1 Modbus 的特点

• 标准、开放。用户可以免费、放心地使用 Modbus 协议，不需要交纳许可费用，也不会侵犯知识产权。目前，支持 Modbus 的厂家超过 400 家，支持 Modbus 的产品超过 600 种
• Modbus 可以支持多种电气接口，如 RS-232、RS-485 和以太网等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤和无线介质等
• Modbus 的格式简单、紧凑，通俗易懂，用户使用容易，厂商开发简单

1.2 Modbus 的通信模型

• Modbus 是 OS I参考模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信，Modbus 的通信模型如下图所示

• Modbus 包括标准 Modbus、Modbus TCP 和 Modbus + 3 种形式
  • 标准 Modbus 指的就是在异步串行通信中传输 Modbus 信息
  • Modbus + 指的就是在一种高速令牌传递网络中传输 Modbus 信息，采用全频通信，具有更快的通信传输速率
  • Modbus TCP 就是采用 TCP/IP 和以太网协议来传输 Modbus 信息，属于工业控制网络范畴

1.3 通用 Modbus 帧

• Modbus 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元 (PDA)，特定总线或网络上的 Modbus 协议映射能够在应用数据单元 (ADU) 上引入一些附加字段，通用 Modbus 帧格式如下图所示
  • Modbus PDU 中功能码的主要作用是告知将执行哪种操作，功能码后面是含有请求和响应参数的数据域
  • Modbus ADU 中的附加地址用于告知站地址，差错校验码是根据报文内容执行冗余校验计算的结果

1.4 Modbus 通信原理

• Modbus 是一种简单的客户机/服务器型应用协议，其通信过程如下图所示
  • 首先，客户机准备请求并向服务器发送请求，即发送功能码和数据请求，此过程称为启动请求
  • 服务器分析并处理客户机的请求，此过程称为执行操作，最后向客户机发送处理结果，即返回功能码和数据响应，此过程称为启动响应
  • 如果在执行操作过程中出现任何差错，服务器将启动差错响应，即返回一个差错码/异常码

• Modbus 串行链路协议是一个主-从协议，串行总线的主站作为客户机，从站作为服务器
  • 在同一时刻只有一个主站连接总线，一个或多个 (最多为 247 个) 从站连接于同一个串行总线
  • Modbus 通信总是由主站发起，从站根据主站功能码进行响应
  • 从站在没有收到来自主站的请求时，不会发送数据，所以从站之间不能互相通信
  • 主站在同一时刻只会发起一个 Modbus 事务处理
• 主站以如下两种模式对从站发出 Modbus 请求
  • 单播模式
    • 在单播模式下，主站寻址单个从站，从站接收并处理完请求后，向主站返回一个响应
    • 在这种模式下，一个 Modbus 事务处理包含 2 个报文，一个是来自主站的请求，另一个是来自从站的应答
    • 每个从站必须有唯一的地址 (1~247)，这样才能区别于其他节点而被独立寻址
  • 广播模式
    • 在广播模式下，主站向所有从站发送请求，对于主站广播的请求没有应答返回
    • 广播请求必须是写命令
    • 所有的设备必须接受广播模式的写功能，地址 0 被保留用来识别广播通信

2. Modbus 物理层

• 在物理层，串行链路上的 Modbus 系统可以使用不同的物理接口，最常用的是 RS-485 两线制接口
  • 作为附加选项，该物理接口也可以使用 RS-485 四线制接口
  • 当只需要短距离的点对点通信时，也可以使用 RS-232 串行接口作为 Modbus 系统的物理接口

2.1 RS-232 接口标准

• RS-232C 是美国电子工业协会 EIA(Electronic Industry Association) 制定的一种串行物理接口标准
  • RS 是英文 “推荐标准” 的缩写，232 为标识号，C 表示修改次数
  • RS-232 总线标准设有 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，其主要端子分配如下图所示

2.1.1 信号含义

• RS-232 的功能特性定义了 25 芯标准连接器中的 20 根信号线，其中 2 条地线、4 条数据线、11 条控制线、3 条定时信号线，剩下的 5 根线作备用或未定义。常用的只有如下所述的 9 根

• 1. 联络控制信号线（6 根）

  • 数据发送准备好 (DSR)：DSR 有效时，表明 MODEM（调制解调器） 处于可使用的状态
  • 数据终端准备好 (DTR)：DTR 有效时，表明数据终端可以使用
    • 这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，能否进行通信要由下面的控制信号决定
  • 请求发送(RTS)：表示 DTE 请求 DCE 发送数据，即当终端准备要接收 MODEM 传来的数据时，使该信号有效，请求 MODEM 发送数据，它用来控制 MODEM 是否要进入发送状态
  • 允许发送(CTS)：表示 DCE 准备好接收 DTE 发来的数据，当 MODEM 准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线 TXD 发送数据
  • 振铃指示(RI)：当 MODEM 收到交换台送来的振铃呼叫信号时使RI信号有效(ON状态)，通知终端已被呼叫。

• 2. 数据发送与接收线（2 根）

  • 发送数据(TXD)：通过 TXD 终端将串行数据发送到 MODEM(DTE-DCE)
  • 接收数据(RXD)：通过RXD线终端接收从 MODEM 发来的串行数据 (DCE-DTE)

• 3. 地线（1 根）

  • GND 提供参考电位，无方向

通常只需 TXD、RXD 和 GND 三根线即可实现通信

2.1.2 电气特性

• 在 TXD 和 RXD 上（数据，信息码）
  • 逻辑 1(MARK，传号) =-3~-15V
  • 逻辑 0(SPACE，空号) =+3~+15V
• 在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等上（控制信号）
  • 信号有效(接通，ON 状态，正电压) =+3~+15V
  • 信号无效(断开，OFF 状态，负电压) =-3~-15V

因此，实际工作时，应保证电平在 ±(3~15) V

2.1.3 RS-232 电平转换

• 为实现采用 +5V 供电的 TTL 和 CMOS(Component Object Mode) 通信接口电路能与 RS-232 标准接口连接，必须进行串行口的输入/输出信号的电平转换

2.2 RS-485 接口标准

• RS-232 接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能，RS-485 接口解决了这个问题

2.2.1 RS-485 接口特点

• 逻辑 1 以两线间的电压差为 +(0.2~6)V 表示，逻辑 0 以两线间的电压差为 -(0.2~6)V 表示。接口信号电平比 RS-232 低，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL 电平兼容，方便与 TTL 电路连接
• RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好
• RS-48 5最大的通信距离约为 1219m，最大传输速率为 10Mbit/s，传输速率与传输距离成反比，在 100kbit/s 的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如需传输更长的距离，需要加 485 中继器
• RS-485 总线一般最大支持 32 个节点，如果使用特制的 485 芯片，可以达到 128 个或者 256 个节点，最多可以支持到 400 个节点
• RS-485 与 RS-232 之间的主要性能指标的比较如下图

2.2.2 RS-485 的优点

• 成本低
• 网络驱动能力强
• 连接距离远
• 传输速率快

3. Modbus 串行链路层标准

• Modbus 串行链路层标准就是通常所说的标准 Modbus 协议，它是 Modbus 协议在申行链路上的实现
  • Modbus串行链路层协议是一个主从协议，该协议位于 OSI 参考模型的第 2 层
  • Modbus 串行链路层标准定义了一个控制器能够识别使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的，也不需要考虑通信网络的拓扑结构
  • 它定义了各种数据帧格式，用以：描述控制器请求访问其他设备的过程、如何响应来自其他设备的请求以及怎样侦测错误并记录

3.1 Modbus 传输模式

• Modbus 定义了 ASCII (美国信息交换标准代码) 和 RTU (远程终端单元) 两种串行传输模式
  • 在 Modbus 串行链路上，所有设备的传输模式 (及串行口参数) 必须相同，默认设置为 RTU 模式，所有设备必须实现 RTU 模式
  • 若要使用 ASCII 模式，需要按照使用指南进行设置

3.1.1 ASCII 模式

• ASCII 模式的消息以冒号(:)字符 (ASCII 码 3AH) 开始，以回车换行符结束 (ASCII 码 0DH，0AH)
• 其他域可以使用的传输字符是十六进制的 0···9，A···F 的 ASCII 码。网络上的设备不断侦测冒号 “:” 字符，当接收到一个冒号时，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 1s，否则接收的设备将认为传输错误。典型 ASCII 消息帧结构如下图

• 例如向 1 号从站的 2000H 寄存器写入 12H 数据的 ASCII 消息格式，如下表
  • 完整的 ASCII 消息为 3AH 30H 31H 30H 36H 32H 30H 30H 30H 30H 30H 31H 32H 43H 37H 0DH 0AH

3.1.2 RTU 模式

• RTU 模式的消息发送至少要以 3.5 个字符时间的停顿间隔开始
  • 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) 接收到时，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一连续的流转输
  • 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的开始，接收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 CRC 域的值不可能是正确的
• 典型的 RTU 消息帧结构如下图

• 例如向 1 号从站的 2000H 寄存器写入 12H 数据的 RTU 消息格式，如下表
  • 完整的 RTU 消息为 01H 06H 20H 00H 00H 12H 02H 01H

3.1.3 地址域

• 消息帧的地址域包含两个字符 (ASCII) 或 8bit(RTU)，可能的从站地址是 0~247 (十进制)
  • 单个设备的地址范围是 1~247
  • 主站通过将要联络的从站的地址放入消息中的地址域来选通从站，当从站发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主站知道是哪一个设备作出回应
  • 地址 0 是用做广播的地址，所有的从站都能认识
  • 当 Modbus 协议用于更高水准的网络时，广播可能不允许或以其他方式代替

3.1.4 功能代码域

• 消息帧的功能代码域包含两个字符 (ASCII) 或 8bit(RTU)，可能的代码范围是进制的 1~255
  • 当消息从主站发往从站时，功能代码域将告知从站需要执行哪些行为，例如，去读取输入的开关状态、读一组寄存器的数据内容、读从站的诊断状态以及允许调入、记录、校验在从站中的程序等
  • 当从站回应时，它使用功能代码域来指示是正常响应(无误)还是有某种错误发生(错误回应)
    • 对于正常响应，从站仅回应相应的功能代码
    • 对于差错响应，从站返回一差错码其格式为功能代码的最高位置 1

3.1.5 数据域

• 数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围为 00~FFH
  • 根据网络传输模式，这可以是由一对 ASCII 字符组成或一个 RTU 字符组成的
  • 从主站发给从站的消息的数据域包含附加的信息，指示从站必须用于进行执行由功能代码所定义的行为
    • 如果主站需要从站读取一组保持寄存器 (功能代码 03H)，数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量
    • 如果主站写一组从站的寄存器 (功能代码 10H)，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，由从站返回的数据域包含请求的数据，如果有错误发生，此域包含异常码，主站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，主站要求从站回应通信事件记录(功能代码 0BH)时，从站不需任何附加的信息

3.2 Modbus 差错检验

• 标准的 Modbus 串行链路的可靠性基于两种错误检验方法，即奇偶校验和帧校验
  • 奇偶校验 (偶或奇) 应该被每个字符采用
  • 帧校验 (LRC 或 CRC) 必须运用于整个报文

3.2.1 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 模式 8 个数据位)
  • 例如，RTU 字符中包含 8 个数据位 (11000101)，其中 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，RTU 字符中 1 的个数仍是 4 个
    • 如果使用了奇校验，帧的奇偶校验位将是 1，使得 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，一个附加的停止位填充至要传输的字符帧中

3.2.2 帧校验

• LRC 检验

  • 采用 ASCII 传输模式时，ASCII 消息帧中包括了一个基于 LRC 方法的错误检测域
  • LRC 域检测消息帧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 8 位二进制值的字节。LRC 值由传输设备来计算并放到 ASCII 消息帧中，接收设备在接收 ASCII 消息的过程中计算 LRC，并将它和接收到的 ASCII 消息帧 LRC 域中的值比较，如果两值不等，则说明有错误
  • LRC 方法是将消息中 8bit 的字节连续累加，丢弃了进位

• CRC 检验

  • 采用 RTU 模式时，RTU 消息帧包括了一个基于 CRC 方法的错误检测域
  • CRC 域检测整个 RTU 消息帧的内容
  • CRC 域是两个字节，包含 16 位二进制值。它由传输设备计算后加入 RTU 消息中，接收设备重新计算收到的 RTU 消息帧的 CRC，并与接收到的 CRC 域中的值比较，如果两值不同，则有误
  • CRC 值的计算方法是先调入一个值是全 1 的 16 位寄存器，然后调用计算过程将消息中连续的 8 位字节和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 添加到消息中时，低字节先加入，然后加入高字节

3.3 Modbus 功能码

• Modbus 协议定义了公共功能码、用户定义功能码和保留功能码 3 种功能码
  • 公共功能码是指被确切定义的、唯一的功能码，由 Modbus-IDA 组织确认，可进行一致性测试，且已归档为公开
  • 用户定义功能码是指用户无需 Modbus-IDA 组织的任何批准就可以选择和实现的功能码，但是不能保证用户定义功能码的使用是唯一的
  • 保留功能码是某些公司在传统产品上现行使用的功能码，不作为公共使用
• Modbus 的功能码定义如下表所示

• Modbus 协议常用的功能码主要是 01、02、03、04、05、06、15 和16，对应数据类型如下表

4. Modbus 协议的应用

Modbus 协议在工业控制和监测应用中广泛使用，包括自动化工厂、机器人控制、电力监测和控制、油气开采和运输、水处理和供应、自动化建筑等等。Modbus 也适用于实时数据采集和处理，包括数据传输、数据监测和控制、故障检测和诊断等

• PLC 控制

  • Modbus 协议是许多 PLC（可编程逻辑控制器）之间通信的标准协议
  • PLC 是工业自动化领域中广泛应用的设备，它们通常用于控制和监测生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等

• 智能仪表

  • Modbus 协议也被广泛用于不同类型的智能仪表之间的通信，如温度传感器、压力传感器、流量计等
  • 这些仪表通常用于监测和控制生产过程中的各种参数，以确保生产的稳定性和质量

• 数据采集系统

  • Modbus 协议可以用于不同类型的数据采集系统之间的通信，以便将来自不同设备的数据收集到一个集中的位置进行处理和分析
  • 这些数据采集系统通常用于监测生产设备的性能和状态，以便及时发现和解决问题

• SCADA 系统

  • Modbus 协议也可以用于不同类型的 SCADA（监视、控制和数据采集）系统之间的通信，以便实现实时监测和控制生产过程中的各种参数
  • 这些系统通常用于自动化生产过程，以提高生产效率和质量。