現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊的設計：MODBUS 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

2 MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)綜述

2.1 MODBUS總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介和特點(diǎn)

MODBUS是Modicon公司1979年最先倡導的一種通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)許多公司的實(shí)際應用，逐漸被認可，成為一種應用于工業(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(kāi)放，因此，被廣泛應用于工業(yè)現場(chǎng)，在微機化測量設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信。連接單個(gè)分散的測量控制設備，使之可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統，具有分散控制、使用簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)化系統結構、數據易于處理、節約硬件設備、易于安裝和維護等優(yōu)點(diǎn)。

MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主/從協(xié)議。適用于半雙工的RS-485總線(xiàn)。協(xié)議規定總線(xiàn)上有一個(gè)主機，多個(gè)從機，每個(gè)從機分配唯一的地址。工作時(shí)可以采用命令/應答的通訊方式。MODBUS通訊總是由主站發(fā)起請求，所有的從設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，繼續偵聽(tīng)總線(xiàn);只有與地址相匹配的從設備對該請求幀進(jìn)行進(jìn)一步解析，并回應應答幀。若解析后校驗的結果出錯，從站向主機發(fā)送出錯信號。一般情況下，當主機收到出錯應答或在用戶(hù)設定的時(shí)間內仍未收到響應報文時(shí)，主站就會(huì )立即重發(fā)信息給從設備。這種一問(wèn)一答的通信模式，大大提高了通信的正確率。從站沒(méi)有收到來(lái)自總站的請求時(shí)，將不會(huì )自動(dòng)發(fā)送數據。從站之間也不能互相通信。在某一時(shí)刻主站只能啟動(dòng)一個(gè)MODBUS事務(wù)處理。

數據傳輸以幀為單位，將報文作為一幀數據，報文是由發(fā)送地址、控制信息、發(fā)送數據、校驗信息按一定格式組成的一個(gè)數據單元。主設備發(fā)出的請求幀和從設備發(fā)出的應答幀都是以地址開(kāi)頭的。

2.2 MODBUS協(xié)議在串行鏈路層上的實(shí)現

串行鏈路上的MODBUS系統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(xiàn)制接口，RS485四線(xiàn)制接口可作為附加選項用。當只需要短距離的點(diǎn)到點(diǎn)通信時(shí)，也可以使用RS232串行接口作為MODBUS系統的物理接口。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(gè)主/從協(xié)議?；诖墟溌穼?shí)現的MODBUS系統中，有且僅有一個(gè)主節點(diǎn)(客戶(hù)機、主站)能夠向其他從節點(diǎn)發(fā)出請求報文并處理響應，從節點(diǎn)在沒(méi)有收到主站的請求時(shí)并不主動(dòng)向總線(xiàn)上發(fā)送數據，也不與其他從節點(diǎn)通信。

主站可通過(guò)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(gè)從站。從站接收并處理完請求后，向主站返回一個(gè)應答。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(xiě)命令，且從站沒(méi)有應答返回。

2.2.2 MODBUS總線(xiàn)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A(yíng)SCII模式中，用兩個(gè)ASCII字符發(fā)送報文中的一個(gè)8位字節。報文中用特定的字符表示起始和結束。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是允許兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔可達到1秒而不發(fā)送錯誤。如果出現更大的間隔，則正在接收的設備認為出現錯誤。表2.1所示為ASCII模式字符中的位序列。每個(gè)字節包括1個(gè)起始位(邏輯0)、7個(gè)數據位(首先發(fā)送最低有效位)、1個(gè)奇偶校驗位和一個(gè)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(wú)校驗(用一個(gè)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(gè)冒號(：)字符開(kāi)始，即ASCII碼3AH;并且以一個(gè)回車(chē)換行符(CRLF)結束，即ASCII碼0DH和0AH.網(wǎng)絡(luò )設備不斷檢測網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)上的“：”字符，當一個(gè)冒號被接收到時(shí)，每個(gè)設備都解碼下個(gè)域(地址域)來(lái)查明是否是被訪(fǎng)問(wèn)的設備。ASCII報文幀格式如表2 .2所示：

●RTU傳輸模式

在RTU( Remote Termina lUint -遠程終端設備)模式下，一個(gè)報文中的每個(gè)字節包含兩個(gè)4位的十六進(jìn)制字符。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，它的高字符密度運行比ASCII方式傳送更多的數據，具有比ASCII模式更高的吞吐率。在本設計中采用RTU傳輸方式。表2 .3所示為RT U模式字符中的位序列。每個(gè)字節包括1個(gè)起始位(邏輯0 )、8個(gè)數據位(首先發(fā)送最低有效位)、1個(gè)奇偶校驗位和一個(gè)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(wú)校驗(用一個(gè)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(méi)有起始位，也沒(méi)有停止位，而是以至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔標志一幀的開(kāi)始或結束。報文幀由地址域、功能域、數據域和CRC校驗域構成。所有字符由16進(jìn)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(gè)報文幀必須作為一個(gè)連續的數據流傳輸。如果在報文幀完成之前有超過(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間停頓間隔發(fā)生，接收設備將刷新未完成的報文并假定下一個(gè)字節將是一個(gè)新報文的地址域。同樣地，如果一個(gè)新報文在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內緊跟前一個(gè)報文開(kāi)始，接收設備將認為它是前一個(gè)報文的延續。這些都會(huì )導致傳輸的報文錯誤。

消息幀的地址域包含一個(gè)8Bit.可能的從設備地址是0-247(十進(jìn)制)。單個(gè)設備的地址范圍是1- 247.主設備通過(guò)將要聯(lián)絡(luò )的從設備的地址放入消息中的地址域來(lái)選通從設備。當從設備發(fā)送回應消息時(shí)，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個(gè)設備作出回應。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設備都能認識。當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

當選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16 Bits值(用兩個(gè)8位的字符來(lái)實(shí)現)。錯誤檢測域的內容是通過(guò)對消息內容進(jìn)行循環(huán)冗長(cháng)檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時(shí)先是低字節然后是高字節。故CRC的高位字節是發(fā)送消息的最后一個(gè)字節。

CRC-16錯誤校驗程序如下：報文(此處只涉及數據位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗位)被看作是一個(gè)連續的二進(jìn)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(jìn)制數11000000000000101.整數商位忽略不記，16位余數加入該報文( MSB先發(fā)送)，成為2個(gè)CRC校驗字節。余數中的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字節的報文，若無(wú)錯誤，到接收設備后再被同一多項式( X↑16+ X↑15 + X↑2 + 1)除，會(huì )得到一個(gè)零余數(接收設備核驗這個(gè)CRC字節，并將其與被傳送的CRC比較)。全部運算以2為模(無(wú)進(jìn)位)。

習慣于成串發(fā)送數據的設備會(huì )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)送首位應是被除數的最高有效位MSB.由于在運算中不用進(jìn)位，為便于操作起見(jiàn)，計算CRC時(shí)設MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過(guò)來(lái)，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。

生成CRC-16校驗字節的步驟如下：

(1) 16位CRC寄存器置成FFFFH

(2)第一個(gè)8位數據與CRC寄存器低8位進(jìn)行異或運算，結果放入CRC寄存器;

(3) CRC寄存器向右移一位，HSB填零，檢查L(cháng)SB ;

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

(5)重復3和4直至完成8次移位，完成8位字節的處理;

(6)報文的下一個(gè)字節重復2至5步，直至全部字節處理完畢

(7) CRC寄存器的最終值為CRC值;

(8)把CRC值放入信息時(shí)，高8位和低8位應分開(kāi)放置。

CRC碼生成流程圖如圖2 .2所示：