工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁(yè)課程題目第10講現(xiàn)場(chǎng)總線——UART·Modbus（2）Modbus協(xié)議、Modbus節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、Modbus系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例課時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的：1．了解Modbus協(xié)議的相關(guān)概念、描述和功能等；2．掌握Modbus傳輸協(xié)議和傳輸中的異常響應(yīng)。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：Modbus協(xié)議傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)模型；難點(diǎn)：Modbus協(xié)議傳輸過(guò)程中的異常響應(yīng)。教學(xué)方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配：1．Modbus協(xié)議、Modbus節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；1學(xué)時(shí)2．Modbus系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例。1學(xué)時(shí)教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第2頁(yè)備注教學(xué)內(nèi)容第10講現(xiàn)場(chǎng)總線——UART·Modbus（2）Modbus協(xié)議Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在1979年發(fā)明的。目前施耐德公司已將Modbus協(xié)議的所有權(quán)移交給IDA（InterfaceforDistributedAutomation，分布式自動(dòng)化接口）組織，并成立了Modbus-IDA。在我國(guó)，Modbus已經(jīng)成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。1、Modbus的優(yōu)點(diǎn)：1）標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。2）由于Modbus主要是面向報(bào)文的協(xié)議，因此它可以支持多種物理接口，如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)物理接口等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線介質(zhì)等。3）Modbus的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡(jiǎn)單。圖4-22Modbus網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)例（Modbus各種（物理/實(shí)際）節(jié)點(diǎn)連接示意圖）ModbusPlus是串行鏈路上的Modbus的改進(jìn)版：也是采用RS-485的電氣接口；采用令牌循環(huán)、對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)鏈路層采用HDLC（高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制）?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶能夠使用TCP/IP棧上的保留端口502訪問(wèn)Modbus。2、Modbus協(xié)議描述圖4-23基于串行鏈路的Modbus協(xié)議與ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模型比較Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。Modbus定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。在特定總線或網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)在其基礎(chǔ)上引入一些附加域，使其成為相應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）。圖4-24通用Modbus幀按照OSI參考模型，圖中：ADU實(shí)際上為（數(shù)據(jù)鏈路層的）幀；PDU實(shí)際上為（應(yīng)用層的）APDU。前面介紹的基于UART的串行通信時(shí)提到的幀的概念在Modbus中對(duì)應(yīng)于字符，或者可以稱之為子幀或字符幀，注意應(yīng)與上圖的Modbus幀區(qū)分開來(lái)。Modbus的PDU最大長(zhǎng)度為253字節(jié)，是因?yàn)槠渥畛跏窃诖墟溌飞蠈?shí)現(xiàn)的，受RS485的ADU最大256字節(jié)（1字節(jié)服務(wù)器地址+253字節(jié)PDU+2字節(jié)差錯(cuò)校驗(yàn)碼）限制。ModbusPDU的功能碼域用一個(gè)字節(jié)編碼。有效的值是1~255。服務(wù)器對(duì)客戶機(jī)響應(yīng)時(shí)，若是正常響應(yīng)，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼。對(duì)于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置邏輯1后返回?？蛻魴C(jī)發(fā)往服務(wù)器的數(shù)據(jù)域包括離散量和寄存器地址、處理的項(xiàng)目數(shù)量以及域中的實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等。服務(wù)器使用這些信息執(zhí)行功能碼定義的操作，并將請(qǐng)求的結(jié)果返回給客戶機(jī)。TCPModbusADU=253字節(jié)+MBAP（7字節(jié)）=260字節(jié)。（MBAP報(bào)文頭為Modbus應(yīng)用協(xié)議報(bào)文頭，是TCP/IP上一種專門識(shí)別Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元的報(bào)文頭）Modbus定義了3種PDU：——Modbus請(qǐng)求PDU；——Modbus響應(yīng)PDU；——Modbus異常響應(yīng)PDU。3、數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)模型1）數(shù)據(jù)編碼這里的數(shù)據(jù)編碼主要是指數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式和發(fā)送順序。Modbus使用最高有效字節(jié)在低地址存儲(chǔ)的方式表示地址和數(shù)據(jù)項(xiàng)，即所謂的“大端存儲(chǔ)”（big-Endian）模式：當(dāng)發(fā)送多個(gè)字節(jié)時(shí)，首先發(fā)送最高有效字節(jié)；例如：寄存器大小為16位，寄存器值為0x1234，發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)為0x12，然后發(fā)送0x34。2）數(shù)據(jù)模型Modbus的數(shù)據(jù)模型是以一組具有不同特征的表為基礎(chǔ)建立的。輸入與輸出之間以及位尋址的和字尋址的數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的區(qū)別并不意味著應(yīng)用特性的差別。所有4個(gè)表可以是相互獨(dú)立的，也可以是相互覆蓋的。表4-11數(shù)據(jù)編碼與數(shù)據(jù)模型對(duì)于每個(gè)基本表，協(xié)議允許單個(gè)地操作數(shù)據(jù)編號(hào)為0~65535的任意一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，而這些數(shù)據(jù)項(xiàng)的讀寫操作可以擴(kuò)展到多個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)項(xiàng)直到達(dá)到最大數(shù)量限制，具體數(shù)量限制與功能碼有關(guān)。操作連續(xù)數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)量限制的原因是ModbusPDU最大為253字節(jié)。Modbus的數(shù)據(jù)模型包括4個(gè)基本表（4個(gè)（數(shù)據(jù)）塊）：離散量輸入、線圈、輸入寄存器和保持寄存器；規(guī)定了每個(gè)基本表的對(duì)象類型和訪問(wèn)類型；對(duì)每個(gè)基本表的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)編號(hào)：0~65535。Modbus處理的所有數(shù)據(jù)（位、寄存器）都放置在設(shè)備應(yīng)用存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器的物理地址與數(shù)據(jù)編號(hào)不能混淆，具體應(yīng)用中只需要將數(shù)據(jù)編號(hào)與物理地址關(guān)聯(lián)即可。Modbus功能碼中使用的邏輯編號(hào)是以0開始的無(wú)符號(hào)整數(shù)索引。圖4-25帶有4個(gè)獨(dú)立塊的Modbus數(shù)據(jù)模型該圖表示了含有數(shù)字量和模擬量、輸入量和輸出量的設(shè)備中的數(shù)據(jù)組織。不同塊中的數(shù)據(jù)不相關(guān)，每個(gè)塊是相互獨(dú)立的?？赏ㄟ^(guò)不同的Modbus功能碼訪問(wèn)每個(gè)塊。用功能碼0x01訪問(wèn)線圈數(shù)據(jù)塊中的若干個(gè)連續(xù)線圈，用功能碼0x04訪問(wèn)輸入寄存器數(shù)據(jù)塊中的若干個(gè)連續(xù)輸入寄存器。圖4-26僅帶有1個(gè)塊的Modbus數(shù)據(jù)模型通過(guò)幾個(gè)Modbus功能碼能夠得到相同的數(shù)據(jù)：同一個(gè)數(shù)據(jù)既可以通過(guò)16位訪問(wèn)也可以通過(guò)1位訪問(wèn)。比如，用功能碼0x04訪問(wèn)數(shù)據(jù)塊中一個(gè)16位存儲(chǔ)單元，也可以用功能碼0x01或0x02訪問(wèn)同一個(gè)數(shù)據(jù)塊中的這個(gè)16位存儲(chǔ)單元中的1個(gè)位。4、尋址模型Modbus應(yīng)用協(xié)議定義了由4個(gè)塊構(gòu)成的Modbus數(shù)據(jù)模型，每個(gè)塊由多個(gè)編號(hào)為1~n的元素構(gòu)成。Modbus數(shù)據(jù)模型中，用1~n來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)塊中的每個(gè)元素進(jìn)行編號(hào)。圖4-27ModbusPDU該圖表示了用ModbusPDU的邏輯地址X-1來(lái)尋址編號(hào)為X的Modbus數(shù)據(jù)塊中的元素。采用功能碼0x02讀邏輯地址為0的離散量輸入（讀輸入0）來(lái)訪問(wèn)（尋址）離散量輸入元素1（離散量輸入1）表4-12功能碼分類與描述續(xù)表4-125、三類功能碼：1）公共功能碼，由Modbus-IDA確認(rèn)。已定義的公共功能碼有兩大類：數(shù)據(jù)訪問(wèn)；診斷。2）用戶定義的功能碼，在十進(jìn)制65~72和100~110區(qū)域。3）保留功能碼，某些公司在傳統(tǒng)產(chǎn)品上現(xiàn)行使用的功能碼。6、異常響應(yīng)客戶機(jī)的請(qǐng)求（詢問(wèn)）可能導(dǎo)致下列4種事件之一：1）服務(wù)器接收到無(wú)通信錯(cuò)誤的請(qǐng)求，且可正常處理，服務(wù)器會(huì)返回一個(gè)正常的響應(yīng)。2）因通信錯(cuò)誤（如報(bào)文幀丟失）而使服務(wù)器沒(méi)有接收到請(qǐng)求，服務(wù)器就不能返回響應(yīng)；客戶機(jī)程序轉(zhuǎn)入超時(shí)處理。3）服務(wù)器雖接收到請(qǐng)求，但檢測(cè)到一個(gè)通信錯(cuò)誤（奇偶校驗(yàn)、CRC或LRC（縱向冗余檢驗(yàn)）等），服務(wù)器就不能返回響應(yīng)；客戶機(jī)程序?qū)⑥D(zhuǎn)入超時(shí)處理。4）服務(wù)器雖接收到無(wú)通信錯(cuò)誤的請(qǐng)求，但不能處理該請(qǐng)求（例如，請(qǐng)求讀一個(gè)不存在的寄存器），服務(wù)器會(huì)返回一個(gè)異常響應(yīng)，通知客戶機(jī)錯(cuò)誤的實(shí)際情況。異常響應(yīng)報(bào)文通過(guò)功能碼域和數(shù)據(jù)域區(qū)別于正常響應(yīng)：對(duì)于功能碼域：在正常響應(yīng)中，復(fù)制原始請(qǐng)求的功能碼，即所有功能碼的最高有效位（MSB）都為0；在異常響應(yīng)中，服務(wù)器設(shè)置功能碼的MSB為1，這使得異常響應(yīng)中的功能碼值比正常響應(yīng)中的功能碼值高0x80。對(duì)于數(shù)據(jù)域：在正常響應(yīng)中，服務(wù)器將返回請(qǐng)求中要求的信息；在異常響應(yīng)中，服務(wù)器返回異常碼?？蛻魴C(jī)通過(guò)響應(yīng)報(bào)文中功能碼的MSB來(lái)識(shí)別是否為異常響應(yīng)，并可檢測(cè)數(shù)據(jù)域中的異常碼。表4-13Modbus異常碼7、數(shù)據(jù)鏈路層Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主／從協(xié)議，位于OSI模型的第2層——數(shù)據(jù)鏈路層；主站（設(shè)備）提供客戶機(jī)功能，而從站（設(shè)備）作為服務(wù)器。在同一時(shí)間內(nèi)，只能將1個(gè)主站連接到總線，將最多至247個(gè)從站連接到相同總線；在無(wú)任何中繼器的EIA-485-Modbus系統(tǒng)中，允許總線/網(wǎng)絡(luò)上最多有32臺(tái)設(shè)備。通信總是由主站發(fā)起的；從站沒(méi)有收到來(lái)自主站的請(qǐng)求時(shí)，是不能發(fā)送數(shù)據(jù)的。從站之間不能相互通信。主站用單播模式和廣播模式兩種方式向從站發(fā)出Modbus請(qǐng)求；從站地址必須唯一以保證被獨(dú)立地尋址；地址0被保留用來(lái)識(shí)別廣播通信。從站對(duì)于主站的廣播請(qǐng)求不做應(yīng)答返回。Modbus定義了兩種串行傳輸模式：RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式和ASCII（美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）模式默認(rèn)設(shè)置必須為RTU模式1）RTU傳輸模式報(bào)文中每個(gè)8位字節(jié)含有兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)。圖4-28基串行鏈路的Modbus協(xié)議與ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模型比較RTU模式中：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。默認(rèn)奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ綖榕夹ｒ?yàn)；當(dāng)采用無(wú)校驗(yàn)時(shí)要求2個(gè)停止位；在ASCII模式中，一個(gè)報(bào)文必須以一個(gè)“冒號(hào)”（：）字符（ASCII碼3A）起始，以“回車換行”（CRLF）（ASCII碼0D、0A）結(jié)束。字符間隔應(yīng)小于1秒?？v向冗余檢驗(yàn)（LRC）是1個(gè)字節(jié)，包含8位二進(jìn)制值，但其結(jié)果被編碼為兩個(gè)字符的ASCII碼。LRC結(jié)果的高位ASCII字符在前，低位ASCII字符在后。在Modbus串行鏈路上，所有設(shè)備的傳輸模式（及串行口參數(shù)）必須相同。在Modbus串行鏈路設(shè)備實(shí)現(xiàn)等級(jí)的基本等級(jí)中只要求實(shí)現(xiàn)RTU模式，常規(guī)等級(jí)中要求實(shí)現(xiàn)RTU模式和ASCII模式。默認(rèn)設(shè)置必須為RTU模式。RTU模式的主要優(yōu)點(diǎn)是在相同的波特率下有較高的字符密度，因此具有比ASCII模式更高的吞吐率。目前主流的微控制器都帶有UART模塊，支持10位和11位模式，支持奇偶校驗(yàn)方式選擇，一般數(shù)據(jù)位發(fā)送順序也是先最低有效位、后最高有效位，可以方便地實(shí)現(xiàn)RTU模式和ASCII模式。8、物理層最常用的物理口是TIA/EIA-485（RS-485）兩線制接口作為附加選項(xiàng)，物理接口也可以使用EIA-485四線制接口只需要短距離的點(diǎn)到點(diǎn)通信時(shí)，也可以使用TIA/EIA-232-E（RS-232）1）傳輸速率要求實(shí)現(xiàn)的速率為9600bps和19200bps19200bps是要求的默認(rèn)值還可以有選擇地實(shí)現(xiàn)其它速率：1200bps、2400bps、4800bps、……、38400bps、56000bps等。2）電氣接口圖4-29Modbus串行鏈路用的RS485兩線制結(jié)構(gòu)Modbus設(shè)備允許可選擇地實(shí)現(xiàn)四線制電氣接口。在四線制網(wǎng)絡(luò)中，從站只能接收主對(duì)總線上的數(shù)據(jù)，而主站只能接收從對(duì)總線上的數(shù)據(jù)。圖4-30Modbus串行鏈路用的RS485四線制結(jié)構(gòu)3）線路終端和極性偏置為了減小反射，要求在總線接近兩端處放置線路終端；終端電阻可以是150Ω（0.5W）電阻或120Ω（0.25W）電阻與1nF電容（最低耐壓10V）的串聯(lián)。在沒(méi)有數(shù)據(jù)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，為確保其接收器處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一些設(shè)備需要使用網(wǎng)絡(luò)偏置；偏置電阻的阻值應(yīng)在450Ω~650Ω之間。4）機(jī)械接口Modbus設(shè)備常用的機(jī)械接口為RJ45或9針D型連接器，必須采用母連接器，還可以使用螺釘連接器。表4-13四線制RJ45和D型連接器信號(hào)線分布表4-14二線制RJ45和D型連接器信號(hào)線分布5）線纜及長(zhǎng)度Modbus串行鏈路上的電纜必須是屏蔽的，屏蔽層必須連接到保護(hù)地上。常用的電纜為AWG24電纜。對(duì)于最高位速率為9600bps、AWG26（或更粗）的電纜來(lái)說(shuō)，其最大長(zhǎng)度為1000m。9、Modbus關(guān)鍵技術(shù)分析1）ModbusRTU幀的幀內(nèi)和幀間字符間隔設(shè)定。多數(shù)微控制器只能檢測(cè)一個(gè)字符的停止位，而不能檢測(cè)字符的起始位。這樣實(shí)際檢測(cè)到的相鄰兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔等于Modbus協(xié)議規(guī)定的相鄰兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔加上發(fā)送一個(gè)字符需要的時(shí)間。圖4-31ModbusRTU幀實(shí)際應(yīng)用中，若檢測(cè)到相鄰兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔小于等于2.5個(gè)字符時(shí)間，則認(rèn)為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀是連續(xù)的；若檢測(cè)到相鄰兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔大于等于4.5個(gè)字符時(shí)間，則認(rèn)為前一幀結(jié)束，下一幀開始。常使用一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為0.5個(gè)字符時(shí)間，并設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器變量為TCOUNT，開始時(shí)清零。在中斷處理程序中對(duì)TCOUNT做加1運(yùn)算，并判斷是否累加到5或9。等于5時(shí)，將1.5個(gè)字符時(shí)間已到標(biāo)志位T3FLAG置成0x01，繼續(xù)計(jì)數(shù)并判斷TCOUNT是否等于9。當(dāng)?shù)扔?時(shí)，將3.5個(gè)字符時(shí)間已到標(biāo)志位T7FLAG置成0x01，TCOUNT清零