2 MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)綜述

2.1 MODBUS總線技術(shù)簡介和特點

MODBUS是Modicon公司1979年最先倡導(dǎo)的一種通信協(xié)議，經(jīng)過許多公司的實際應(yīng)用，逐漸被認可，成為一種應(yīng)用于工業(yè)控制器上的標準通信協(xié)議，由于其功能比較完善而且協(xié)議開放，因此，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，在微機化測量設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信。連接單個分散的測量控制設(shè)備，使之可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，具有分散控制、使用簡單、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)易于處理、節(jié)約硬件設(shè)備、易于安裝和維護等優(yōu)點。

MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個主/從協(xié)議。適用于半雙工的RS-485總線。協(xié)議規(guī)定總線上有一個主機，多個從機，每個從機分配唯一的地址。工作時可以采用命令/應(yīng)答的通訊方式。MODBUS通訊總是由主站發(fā)起請求，所有的從設(shè)備都接收并解析其中的地址信息，與地址不匹配的從站拋棄該請求幀，繼續(xù)偵聽總線;只有與地址相匹配的從設(shè)備對該請求幀進行進一步解析，并回應(yīng)應(yīng)答幀。若解析后校驗的結(jié)果出錯，從站向主機發(fā)送出錯信號。一般情況下，當(dāng)主機收到出錯應(yīng)答或在用戶設(shè)定的時間內(nèi)仍未收到響應(yīng)報文時，主站就會立即重發(fā)信息給從設(shè)備。這種一問一答的通信模式，大大提高了通信的正確率。從站沒有收到來自總站的請求時，將不會自動發(fā)送數(shù)據(jù)。從站之間也不能互相通信。在某一時刻主站只能啟動一個MODBUS事務(wù)處理。

數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，將報文作為一幀數(shù)據(jù)，報文是由發(fā)送地址、控制信息、發(fā)送數(shù)據(jù)、校驗信息按一定格式組成的一個數(shù)據(jù)單元。主設(shè)備發(fā)出的請求幀和從設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答幀都是以地址開頭的。

2.2 MODBUS協(xié)議在串行鏈路層上的實現(xiàn)

串行鏈路上的MODBUS系統(tǒng)可以使用不同的物理接口作為其物理層標準。最常用的接口是RS485兩線制接口，RS485四線制接口可作為附加選項用。當(dāng)只需要短距離的點到點通信時，也可以使用RS232串行接口作為MODBUS系統(tǒng)的物理接口。圖2.1給出了MODBUS協(xié)議與ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模型的對應(yīng)關(guān)系。

2.2.1 MODBUS主/從協(xié)議原理

MODBUS串行鏈路協(xié)議位于OSI模型的第2層，是一個主/從協(xié)議?；诖墟溌穼崿F(xiàn)的MODBUS系統(tǒng)中，有且僅有一個主節(jié)點(客戶機、主站)能夠向其他從節(jié)點發(fā)出請求報文并處理響應(yīng)，從節(jié)點在沒有收到主站的請求時并不主動向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，也不與其他從節(jié)點通信。

主站可通過單播和廣播兩種方式向從站發(fā)出MODBUS請求。在單播模式下，主站尋址單個從站。從站接收并處理完請求后，向主站返回一個應(yīng)答。而對于廣播模式的請求，主站可以向所用從站發(fā)送請求，但該請求必須是寫命令，且從站沒有應(yīng)答返回。

2.2.2 MODBUS總線兩種串行傳輸模式

傳輸模式定義了鏈路上串行傳送報文域的位內(nèi)容，并確定了信息是怎樣打包為報文及如何解碼。MODBUS有兩種串行傳輸模式，即RTU模式和ASCII模式。

●ASCII傳輸模式

在ASCII模式中，用兩個ASCII字符發(fā)送報文中的一個8位字節(jié)。報文中用特定的字符表示起始和結(jié)束。這種模式的主要優(yōu)點是允許兩個字符之間的時間間隔可達到1秒而不發(fā)送錯誤。如果出現(xiàn)更大的間隔，則正在接收的設(shè)備認為出現(xiàn)錯誤。表2.1所示為ASCII模式字符中的位序列。每個字節(jié)包括1個起始位(邏輯0)、7個數(shù)據(jù)位(首先發(fā)送最低有效位)、1個奇偶校驗位和一個停止位(邏輯1 )。其中，奇偶校驗位默認為偶檢驗，為保證最大兼容性，也可選擇奇校驗或無校驗(用一個停止位填充)。

ASCII模式的錯誤校驗采用縱向冗余校驗(Longitudinal Redundancy Check-LRC)。報文以一個冒號(：)字符開始，即ASCII碼3AH;并且以一個回車換行符(CRLF)結(jié)束，即ASCII碼0DH和0AH.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷檢測網(wǎng)絡(luò)總線上的“：”字符，當(dāng)一個冒號被接收到時，每個設(shè)備都解碼下個域(地址域)來查明是否是被訪問的設(shè)備。ASCII報文幀格式如表2 .2所示：

●RTU傳輸模式

在RTU( Remote Termina lUint -遠程終端設(shè)備)模式下，一個報文中的每個字節(jié)包含兩個4位的十六進制字符。這種模式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，它的高字符密度運行比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)，具有比ASCII模式更高的吞吐率。在本設(shè)計中采用RTU傳輸方式。表2 .3所示為RT U模式字符中的位序列。每個字節(jié)包括1個起始位(邏輯0 )、8個數(shù)據(jù)位(首先發(fā)送最低有效位)、1個奇偶校驗位和一個停止位(邏輯1 )。其中，奇偶校驗位默認為偶檢驗，為保證最大兼容性，也可選擇奇校驗或無校驗(用一個停止位填充)。

RTU報文幀格式如表2.4所示。典型的RTU報文幀沒有起始位，也沒有停止位，而是以至少3.5個字符時間的停頓間隔標志一幀的開始或結(jié)束。報文幀由地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗域構(gòu)成。所有字符由16進制0-9，A-F組成。RTU報文幀格式如圖2 .5所示：

在RTU模式中，整個報文幀必須作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸。如果在報文幀完成之前有超過1.5個字符時間停頓間隔發(fā)生，接收設(shè)備將刷新未完成的報文并假定下一個字節(jié)將是一個新報文的地址域。同樣地，如果一個新報文在小于3.5個字符時間內(nèi)緊跟前一個報文開始，接收設(shè)備將認為它是前一個報文的延續(xù)。這些都會導(dǎo)致傳輸?shù)膱笪腻e誤。

消息幀的地址域包含一個8Bit.可能的從設(shè)備地址是0-247(十進制)。單個設(shè)備的地址范圍是1- 247.主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個設(shè)備作出回應(yīng)。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認識。當(dāng)Modbus協(xié)議用于更高水準的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。

2.3錯誤檢測域

當(dāng)選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16 Bits值(用兩個8位的字符來實現(xiàn))。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié)。

CRC-16錯誤校驗程序如下：報文(此處只涉及數(shù)據(jù)位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗位)被看作是一個連續(xù)的二進制，其最高有效位( MSB )首選發(fā)送。報文先與X↑16相乘(左移16位)，然后看X↑16 + X↑15 + X↑2 + 1除，X↑16 + X↑15 + X↑2 + 1可以表示為二進制數(shù)11000000000000101.整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報文( MSB先發(fā)送)，成為2個CRC校驗字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設(shè)備后再被同一多項式( X↑16+ X↑15 + X↑2 + 1)除，會得到一個零余數(shù)(接收設(shè)備核驗這個CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較)。全部運算以2為模(無進位)。

習(xí)慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備會首選送出字符的最右位( LSB -最低有效位)。而在生成CRC情況下，發(fā)送首位應(yīng)是被除數(shù)的最高有效位MSB.由于在運算中不用進位，為便于操作起見，計算CRC時設(shè)MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數(shù)。

生成CRC-16校驗字節(jié)的步驟如下：

(1) 16位CRC寄存器置成FFFFH

(2)第一個8位數(shù)據(jù)與CRC寄存器低8位進行異或運算，結(jié)果放入CRC寄存器;

(3) CRC寄存器向右移一位，HSB填零，檢查LSB ;

(4)(若LSB為0 )：重復(fù)3，再右移一位。(若LSB為1 )：CRC寄存器與oxA001進行異或運算;

(5)重復(fù)3和4直至完成8次移位，完成8位字節(jié)的處理;

(6)報文的下一個字節(jié)重復(fù)2至5步，直至全部字節(jié)處理完畢

(7) CRC寄存器的最終值為CRC值;

(8)把CRC值放入信息時，高8位和低8位應(yīng)分開放置。

CRC碼生成流程圖如圖2 .2所示：