基于FPGA的Picoblaze核實現(xiàn)Modbus通信協(xié)議
2 Modbus協(xié)議
2.1 Modbus協(xié)議簡介
Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議,控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以實現(xiàn)通信。標準的Modbus接口使用RS-232C兼容串行接口,控制器通信使用主從技術(shù),它僅有一個設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)。其他設(shè)備(從設(shè)備)則根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。
2.2 串行傳輸模式
在標準Modbus上,控制器可使用ASCII或RTU通訊模式來進行通訊。在本設(shè)計采用的是RTU模式。當控制器以RTU模式在Modbus總線上進行通訊時,信息中的每8位字節(jié)可分成2個4位16進制的字符,該模式的主要優(yōu)點是在相同波特率下,其傳輸?shù)淖址芏雀哂贏SCII模式,但每個信息必須連續(xù)傳輸。其RTU模式的數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所列。本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/156522.htm
在RTU模式中,每個字節(jié)格式的編碼系統(tǒng)可以為8位二進制、十六進制0~9和A~F。其數(shù)據(jù)位包括1位起始位,8位數(shù)據(jù)(低位先送)、奇/偶校驗時1位/無奇偶校驗時0位、帶校驗時1位停止位/無校驗時2位停止位。本系統(tǒng)的錯誤校驗采用循環(huán)冗余校驗(CRC)。
2.3 Modbus的信息幀
無論是ASCII模式還是RTU模式,Modbus信息都以幀的方式傳輸,每幀有確定的起始點和結(jié)束點。表2所列即為RTU模式時的消息幀格式。
使用時,接收設(shè)備在信息的起點開始讀地址,并確定要尋址的設(shè)備(廣播時對全部設(shè)備)以及信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時間。也可以檢測部分信息,有錯誤也可作為一種結(jié)果設(shè)定。本文使用的是RTU消息幀。
在RTU模式中,信息開始至少需要3.5個字符的靜止時間。依據(jù)使用的波特率,很容易計算這個靜止的時間(如表2中的T1-T2-T3-T4)。之后,第一個區(qū)的數(shù)據(jù)即為設(shè)備地址。各個區(qū)允許發(fā)送的字符均為16進制的0—9,A—F。
網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的信息,包括靜止時間等。當接收到第一個地址數(shù)據(jù)時,每臺設(shè)備都立即對它解碼,以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個字符號后,也將有一個3.5個字符的靜止時間,然后才能發(fā)送一個新的信息。
整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間,則接收設(shè)備將刷新不完整的信息,并假設(shè)下一個地址數(shù)據(jù)。
同樣,若在一個信息后立即發(fā)送一個新信息(若無3.5個字符的靜止時間),將會產(chǎn)生一個錯誤。這是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產(chǎn)生的錯誤。
RTU方式時,可采用CRC方法計算錯誤校驗碼,即用CRC校驗傳送的全部數(shù)據(jù)。它會忽略信息中單個字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗方法。
2.4 錯誤檢測方法
標準的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用奇偶校驗和幀檢測兩種錯誤檢測方法,其中奇偶校驗對每個字符都可用,而幀檢測(LRC或CRC)則應(yīng)用于整個消息。由于本文采用RTU模式進行數(shù)據(jù)傳輸,故使用CRC校驗方法,它可校驗傳送的全部數(shù)據(jù)。其具體實現(xiàn)方法如下:
CRC碼為2個字節(jié)/16位的二進制值。通常由發(fā)送設(shè)備計算CRC值,并把它附到信息中去;接收設(shè)備則在接收信息過程中再次計算CRC值并與CRC的實際值進行比較。若二者不一致,則產(chǎn)生一個錯誤。校驗開始時,先把16位寄存器的各位都置為“1”,然后把信息中的相鄰2個8位字節(jié)數(shù)據(jù)放到當前寄存器中處理。一般只有每個字符的8位數(shù)據(jù)用于CRC處理,而起始位、停止位和校驗位不參與CRC計算。
CRC校驗時,每個8位數(shù)據(jù)先與該寄存器的內(nèi)容進行異或運算,然后向最低有效位(LSB)方向移位,當用零填入最高有效位(MSB)后,再對LSB檢查,若LSB=1,則寄存器與預(yù)置的固定值進行異或,若LSB=0,則不作異或運算。
之后,重復(fù)上述處理過程,直至移位8次。最后一次(第8次)移位后,下一個8位字節(jié)數(shù)據(jù)再與寄存器的當前值進行異或,然后再重復(fù)上述過程。全部處理完信息中的數(shù)據(jù)字節(jié)后,最終得到的寄存器值即為CRC值。
CRC值附加到信息時,低位在先,高位在后。CRC生成的多項式是:。
2.5 功能選擇
本文選擇03讀保持寄存器和06預(yù)置單個寄存器來進行重點介紹。
(1)03讀保持寄存器
查詢信息時,寄存器尋址起始地址為0000,寄存器1~16所對應(yīng)的地址分別為0~15。
響應(yīng)信息中的寄存器數(shù)據(jù)為二進制數(shù)據(jù),每個寄存器分別對應(yīng)2個字節(jié),第一個字節(jié)為高位值數(shù)據(jù),第二個字節(jié)為低位數(shù)據(jù)。表3所列是03讀保持寄存器的功能舉例。
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