工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁(yè)課程題目第9講現(xiàn)場(chǎng)總線——UART·Modbus（1）基于UART的串行通信基本特征與節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成、EIA/TIA/RS232接口標(biāo)準(zhǔn)、EIA/TIA/RS485接口標(biāo)準(zhǔn)課時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的：掌握EIA/TIA/RS232和EIA/TIA/RS485的接口標(biāo)準(zhǔn)；掌握基于UART的串行通信基本特征與節(jié)點(diǎn)的一般構(gòu)成。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：EIA/TIA/RS232和EIA/TIA/RS485的接口標(biāo)準(zhǔn)；難點(diǎn)：兩標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口電路。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：基于UART的串行通信基本特征、EIA/TIA/RS232接口標(biāo)準(zhǔn)；1學(xué)時(shí)EIA/TIA/RS485接口標(biāo)準(zhǔn)。1學(xué)時(shí)教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：第9講現(xiàn)場(chǎng)總線——UART·Modbus（1）一、概述UART指通用異步收發(fā)器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），即是采用異步串行通信方式的接口/裝置。線路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。目前大多數(shù)微控制器都支持UART通信。1、基于UART的串行通信的基本特征圖4-1異步串行通信字符幀格式1)當(dāng)傳輸線（總線）上沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，總線處于空閑狀態(tài)“1”。2)發(fā)送器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)（字符幀）時(shí)，首先發(fā)送一個(gè)起始位“0”標(biāo)志一幀的起始。3)發(fā)送器在發(fā)送起始位后，緊接著發(fā)送由5-8個(gè)二進(jìn)制位組成的數(shù)據(jù)位（字符）。每一幀數(shù)據(jù)首先發(fā)送數(shù)據(jù)最低位，最后發(fā)送數(shù)據(jù)最高位。4)數(shù)據(jù)位發(fā)送完后，可以選擇一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確?？梢赃x擇奇校驗(yàn)，也可以選擇偶校驗(yàn)，還可以選擇無(wú)校驗(yàn)。5)最后發(fā)送停止位（停止元素），用以表示一幀的結(jié)束。停止位為“1”，可以是1位、1.5位或2位。圖4-2基于UART的串行通信節(jié)點(diǎn)硬件的一般構(gòu)成二、EIA/TIA/RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)名詞解釋：EIA（ElectronicIndustriesAssociation）：美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)；TIA（TelecommunicationsIndustryAssociation）：美國(guó)電信工業(yè)協(xié)會(huì)；RS（RecommendedStandard）：推薦標(biāo)準(zhǔn)；EIA/TIA/RS-232是EIA（ElectronicIndustriesAssociation）制定的物理接口標(biāo)準(zhǔn)；EIA/TIA/RS-232標(biāo)準(zhǔn)全稱：數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)線路端接設(shè)備（DCE）間使用串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的接口（InterfaceBetweenDataTerminalEquipmentandDataCircuitTerminatingEquipmentEmployingSerialBinaryDataInterchange）；EIA-232可以應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀、打印機(jī)等設(shè)備上；1、機(jī)械特性與電氣特性圖4-325芯和9芯插座EIA-232的接口為非平衡型：每根信號(hào)用一根導(dǎo)線；所有信號(hào)回路共用一根地線；這樣的連接方式抗干擾能力較低。通信速率：20kbps以內(nèi)；通信距離：15m以內(nèi)；信號(hào)電平（負(fù)邏輯）；邏輯1：-3V~-15V之間（數(shù)據(jù)線上：傳號(hào)Mark；控制線上：OFF狀態(tài)）；邏輯0：+3V~+15V之間（數(shù)據(jù)線上：空號(hào)Space；控制線上：ON狀態(tài)）。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定驅(qū)動(dòng)端與接收端之間必須保證2V的噪聲容限：在驅(qū)動(dòng)端提供的一個(gè)邏輯電平在-5V~-15V之間，另一個(gè)邏輯電平在+5V~+15V之間。圖4-4電氣連接圖2、功能特性與過(guò)程特性DB25和DB9各引腳的功能分配分別如表4-1和表4-2所示。表中所說(shuō)的“發(fā)送”和“接收”都是從DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）的角度來(lái)說(shuō)的。表4-1DB25引腳定義續(xù)表4-1表4-2DB9引腳定義2）DB25中常用的也就是DB9中定義的9根線，下面詳細(xì)說(shuō)明DB9中各信號(hào)的含義：（a）數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD：這是DCE向DTE發(fā)出的狀態(tài)信息，指明從通信線路上收到的載波信號(hào)是否已經(jīng)進(jìn)入指定的范圍。當(dāng)DCD=ON時(shí)，表示接收信號(hào)已經(jīng)進(jìn)入指定范圍，此時(shí)RxD上的數(shù)據(jù)是有效的。當(dāng)DCD=OFF時(shí)，表示接收信號(hào)尚未進(jìn)入規(guī)定的范圍，此時(shí)DTE不能接收RxD上的數(shù)據(jù)。（b）接收數(shù)據(jù)RxD：這是DTE接收DCE發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)的引線。當(dāng)DCE不向DTE發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該線上的電壓為-12V。DB9中的2號(hào)線對(duì)于DTE來(lái)說(shuō)是接收數(shù)據(jù)線，對(duì)于DCE來(lái)說(shuō)是發(fā)送數(shù)據(jù)線。（c）發(fā)送數(shù)據(jù)TxD：這是DTE向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)的引線。當(dāng)DTE不向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該線上的電壓為為-12V。DB9中的3號(hào)線對(duì)于DTE來(lái)說(shuō)是發(fā)送數(shù)據(jù)線，對(duì)于DCE來(lái)說(shuō)是接收數(shù)據(jù)線。（d）數(shù)據(jù)終端就緒DTR：這是DTE向DCE發(fā)送的握手信號(hào)。當(dāng)DTR=ON時(shí)，表示DTE處于就緒狀態(tài)，希望本地DCE和遠(yuǎn)程DCE之間建立通信信道。當(dāng)DTR=OFF時(shí)，DCE將停止通信。（e）信號(hào)地SG：EIA-232接口中所有電信號(hào)的公共回路，通過(guò)該引線將DTE和DCE的信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)。（f）數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSR：這是DCE向DTE發(fā)送的握手信號(hào)。當(dāng)DSR=ON時(shí)，表示本地DCE已和通信信道連通；當(dāng)DSR=OFF時(shí)，表示本地DCE還沒(méi)準(zhǔn)備好。（g）請(qǐng)求發(fā)送RTS：這是DTE向DCE發(fā)出的握手信號(hào)。當(dāng)RTS=ON時(shí)，表示DTE請(qǐng)求向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)RTS=OFF時(shí)，表示DTE不想發(fā)送數(shù)據(jù)。在DTE有數(shù)據(jù)要發(fā)送或正在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RTS都要保持ON狀態(tài)。（h）允許發(fā)送CTS：這是DCE向DTE發(fā)出的握手信號(hào)。DCE收到DTE的RTS信號(hào)后延遲一段給定時(shí)間后給出該信號(hào)。當(dāng)CTS=ON時(shí)，表示DCE已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)CTS=OFF時(shí)，表示DCE還沒(méi)準(zhǔn)備好，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。（i）振鈴指示RI：這是DCE向DTE發(fā)出的狀態(tài)信息。表示本地DCE是否正在接收遠(yuǎn)程DCE的振鈴信號(hào)。當(dāng)RI=ON時(shí)，表示正在接收振鈴信號(hào)；當(dāng)RI=OFF時(shí)，表示不在接收振鈴信號(hào)。3）EIA-232規(guī)定了DTE/DCE之間的控制信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送時(shí)序、應(yīng)答關(guān)系及操作過(guò)程等內(nèi)容。示例：DTE發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程。（a）當(dāng)DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置EIA-232的DTR（數(shù)據(jù)終端就緒）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地DCE（如Modem）已準(zhǔn)備好。如果本地DCE也已做好準(zhǔn)備，即連接成功，DCE向DTE發(fā)送DSR（數(shù)據(jù)設(shè)備就緒）信號(hào)。（b）DTE置RTS（請(qǐng)求發(fā)送）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地DCE請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。本地DCE檢測(cè)到RTS信號(hào)后，一方面向遠(yuǎn)端發(fā)送載波，另一方面通過(guò)延時(shí)電路控制CTS（允許發(fā)送）的接通（變?yōu)镺N狀態(tài)）。CTS需要延時(shí)接通是因?yàn)檫h(yuǎn)程DCE從載波到達(dá)至給出DCD（數(shù)據(jù)載波檢測(cè)）信號(hào)需要一段時(shí)間t。為了保證數(shù)據(jù)能被遠(yuǎn)程DCE正確接收，本地CTS的延時(shí)T應(yīng)該大于t。遠(yuǎn)程DCE檢測(cè)到載波后，置DCD為ON狀態(tài)，通知遠(yuǎn)程的DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。（c）DTE檢測(cè)到CTS變?yōu)镺N狀態(tài)后，通過(guò)TxD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)遠(yuǎn)程DTE通過(guò)RxD接收數(shù)據(jù)。（d）DTE發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置RTS為OFF狀態(tài)，通知本地DCE發(fā)送結(jié)束。本地DCE檢測(cè)到RTS后，停止發(fā)送載波，并置CTS為OFF狀態(tài)。遠(yuǎn)程DCE檢測(cè)不到載波后，置DCD為OFF狀態(tài)。（e）本地DTE置DTR線為OFF狀態(tài)，通知DCE釋放連接。DCE檢測(cè)到DTR的OFF狀態(tài)后，置DSR為OFF狀態(tài)作為回答，至此發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程結(jié)束。3、常用連接方法EIA-232是連接DTE和DCE的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用中既有DTE與DCE之間的連接，也有DTE與DTE之間的連接。使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）遠(yuǎn)程連接；圖4-5使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）遠(yuǎn)程連接2）空調(diào)制解調(diào)器（NullModem）連接（DTE與DTE的直接連接方式）；（a）三線制連接(b)三線制加自握手連接式(c)互握手多線制連接方式圖4-6用于EIA-232的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口4、用于EIA-232的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口由于EIA-232邏輯電平與TTL電平不兼容，因此在與TTL電平電路一起使用時(shí)必須加上適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換電路。圖4-7MC1488圖4-8MC1489圖4-9MC1488和MC1489構(gòu)成的EIA-232接口電路使用MC1488、MC1489的接口電路需要外接±12V對(duì)稱電源，電路比較復(fù)雜。因此，一些公司推出了使用單電源的電平轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，如常用的Maxim公司的芯片MAX232。圖4-10MAX232芯片圖4-11MAX232典型工作電路MAX232芯片使用+5V單電源供電。圖4-12MAX232構(gòu)成的EIA-232接口電路5、EIA-232接口標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)1）傳輸距離短。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直接連接的最大傳輸距離僅為15m，遠(yuǎn)距離程傳輸時(shí)需要使用Modem，而在工業(yè)控制應(yīng)用中往往要求不使用Modem。2）單端信號(hào)對(duì)地傳輸，信號(hào)易受共模噪聲干擾。3）傳輸速率低。因易受噪聲干擾，故傳輸速率不高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高傳輸速率不超過(guò)20kbps。4）不能用于多點(diǎn)互連系統(tǒng)。三、EIA/TIA/RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA/RS-485標(biāo)準(zhǔn)全稱：用于平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)的發(fā)送器和接收器的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)（StandardforElectricalCharacteristicsofGeneratorsandReceiversforUseinBalancedDigitalMultipointSystems）。EIA-485是EIA-422的變型。EIA-485是其它一些現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層的接口標(biāo)準(zhǔn)（或之一），如Modbus、Profibus、Interbus、LonWorks、P-NET、BACnet、BITBus等。表4-3EIA-485技術(shù)參數(shù)及與EIA-232、EIA-422之比較圖4-13EIA-485電氣連接圖EIA-485的兩根差分信號(hào)線分別記作A線、B線，以A和B之間的電位差來(lái)表示邏輯電平。驅(qū)動(dòng)端A和B之間的電位差輸出范圍為±2V~±6V，接收端A和B之間可以檢測(cè)的輸入電壓VAB的絕對(duì)值的最小值為200mV，即要求VAB≤-200mV，或VAB≥200mV。EIA-485規(guī)定，在接收端，當(dāng)A線電位VA比B線電位VB低200mV以上時(shí)，即當(dāng)VAB=VA-VB<-0.2V時(shí)，認(rèn)為是二進(jìn)制1（OFF狀態(tài)）；當(dāng)A線電位VA比B線電位VB高200mV以上，即當(dāng)VAB=VA-VB>0.2V時(shí)，認(rèn)為是二進(jìn)制0（ON狀態(tài)）。2、EIA-485的端口連接EIA-485常用于組成主從式多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在大多數(shù)情況下，EIA-485的端口連接都采用兩線制連接方式。圖4-14典型的EIA-485兩線制半雙工連接方式當(dāng)需要全雙工通信時(shí)，發(fā)送信道和接收信道應(yīng)該相互獨(dú)立，此時(shí)EIA-485可采用四線制連接方式。主站的驅(qū)動(dòng)器和接收器及所有從站的接收器可以一直處于使能狀態(tài)。圖4-15典型的EIA-485四線制主從式全雙工連接任何時(shí)候應(yīng)該只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于發(fā)送狀態(tài)，其它驅(qū)動(dòng)器必須處于高阻態(tài)，這是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器上的發(fā)送使能端控制的。若有兩個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)工作，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)試圖發(fā)送邏輯1，一個(gè)或多個(gè)試圖發(fā)送邏輯0時(shí)，會(huì)在某些器件中產(chǎn)生大電流。因此符合EIA-485標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片都具有限流和過(guò)熱關(guān)閉功能，以便保護(hù)器件。主站不能同時(shí)請(qǐng)求多個(gè)從站，否則會(huì)引起沖突。在一個(gè)沒(méi)有中繼器的系統(tǒng)中最多只能有兩個(gè)終端電阻，分別并聯(lián)于傳輸線的首尾兩端，通常取值120Ω。當(dāng)EIA-485網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)處于只聽(tīng)（接收）狀態(tài)。這時(shí)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器處于發(fā)送狀態(tài)，所有驅(qū)動(dòng)器均處于高阻態(tài)。沒(méi)有任何驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，則傳輸線狀態(tài)不確定。因此，應(yīng)當(dāng)為網(wǎng)絡(luò)添加偏置電阻使其處于確定狀態(tài)。圖4-16兩線制連接網(wǎng)絡(luò)中帶偏置電阻的收發(fā)器3、用于EIA-485的電平轉(zhuǎn)換芯片及接口電路常用的EIA-485接口芯片有Maxim公司的MAX481/483/485/487/488/489/490/491系列低功耗收發(fā)器。每種型號(hào)的芯片內(nèi)部均集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器（構(gòu)成一個(gè)收發(fā)器），符合EIA-422/EIA-485接口標(biāo)準(zhǔn)。MAX48X/MAX49X系列芯片特點(diǎn)：使用+5V單電源供電；0.1μA低電流關(guān)閉模式（MAX481／483／487）；低功耗，靜態(tài)工作電流：MAX483/487/488/489為120μA，MAX481/485/490/491為300μA；限制轉(zhuǎn)換速率的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸（MAX483／487／488／489）；共模輸入電壓范圍-7V~+12V；總線上最大可連接128個(gè)收發(fā)器（MAX487）；具有電流限制和熱關(guān)斷特性的驅(qū)動(dòng)器過(guò)載保護(hù)。表4-4MAX48X/MAX49X系列芯片性能比較MAX48X/MAX49X系列芯片引腳分布及典型工作電路：MAX481/483/485/487芯片為8引腳封裝，適用于半雙工通信，其引腳分布與典型工作電路如圖4-17所示。圖（a）中，上圖和下圖分別為DIP/SO、μMAX封裝的引腳分布圖；圖（b）中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電阻。對(duì)于圖4-17（b），在實(shí)際應(yīng)用中，往往將DE與/RE連在一起，即在任意時(shí)刻，DE與/RE只能有一個(gè)有效或均無(wú)效（呈高阻態(tài)）。（a）引腳分布圖（b）典型工作電路圖4-17MAX481/483/485/487引腳分布及典型工作電路MAX488/490芯片也為8引腳封裝，其驅(qū)動(dòng)器輸出與接收器輸入引腳是分開(kāi)的，便于組成全雙工通信，其引腳分布與典型工作電路如圖4-18所示。圖中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電阻。（a）引腳分布圖（b）典型工作電路圖4-18MAX488/490引腳分布及典型工作電路MAX489/491芯片為14引腳封裝，也用于全雙工通信，相比MAX488/490增加了和DE引腳。其引腳分布與典型工作電路如圖4-19所示。圖中，傳輸線為雙絞線，Rt為終端匹配電阻。（a）引腳分布圖（b）典型工作電路圖4-19MAX489/491引腳分布與典型工作電路表4-5MAX48X/MAX49X系列芯片的各引腳分布和功能續(xù)表4-5表4-6發(fā)送功能表表4-7接收功能表4、采用MAX485芯片的EIA-485節(jié)點(diǎn)信號(hào)波形與電平如圖所示為一個(gè)采用MAX485芯片的簡(jiǎn)單EIA-485節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。通過(guò)對(duì)這樣的一個(gè)節(jié)點(diǎn)以及由這樣的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)中的信號(hào)波形與電平值進(jìn)行測(cè)量，能更直觀地了解EIA-485的電氣特性。圖4-20簡(jiǎn)單的EIA-481）R=∞時(shí)表4-8單節(jié)點(diǎn)R=∞時(shí)總線電平圖4-21MAX485芯片A、B引腳電壓波形2）R=120Ω時(shí)；表4-8單節(jié)點(diǎn)R=60Ω時(shí)總線電平3）R=60Ω時(shí)表4-9單節(jié)點(diǎn)R=60Ω時(shí)總線電平由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的EIA-485系統(tǒng)如圖9-20所示。分別在R=∞，120Ω，60Ω時(shí)對(duì)VA，VB，VAB進(jìn)行測(cè)量，得到的波形與圖9-19一致。表9-9給出了測(cè)量數(shù)據(jù)。圖4-21兩節(jié)點(diǎn)的EIA-485系統(tǒng)表4-10兩節(jié)點(diǎn)EIA-485系統(tǒng)總線電平（a）R=∞時(shí)(b)R=120Ω時(shí)(c)R=60Ω時(shí)總線負(fù)載對(duì)于EIA-485的A，B線間的電位差會(huì)產(chǎn)生影響：總線負(fù)載增大時(shí)，A，B間的電位差會(huì)減小；當(dāng)A，B間的電位差絕對(duì)值減小到小于200mV時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。EIA-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為32就是為了避免出現(xiàn)總線負(fù)載過(guò)大。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(kāi)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(kāi)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）。互聯(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(kāi)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(kāi)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