MODBUS總線(xiàn)控系統的技術(shù)特征

MODBUS通訊協(xié)議是一種工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質(zhì)，可以承載于多種網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型中。MODBUS協(xié)議把通信參與者規定為“主站”(Master)和“從站”(Slave)，數據和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準MODBUS網(wǎng)絡(luò )時(shí)，信息被直接傳送。MODBUS總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)智能設備通過(guò)異步串行總線(xiàn)連接起來(lái)，只允許一個(gè)控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發(fā)出請求，從站應答請求并送回數據或狀態(tài)信息，從站不能夠自己發(fā)送信息。MODBUS協(xié)議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪(fǎng)問(wèn)從站設備的過(guò)程，規定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告傳輸錯誤等。網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)從設備都必須分配給一個(gè)唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會(huì )響應主設備發(fā)出的命令。

由于MODBUS總線(xiàn)系統開(kāi)發(fā)成本低，簡(jiǎn)單易用，并且現在已有很多工控器、PLC、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經(jīng)成為一種公認的通信標準。通過(guò)MODBUS總線(xiàn)，可以很方便地將不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行集中監控。

MODBUS最初為PLC通信而設計，它通過(guò)24種總線(xiàn)命令實(shí)現PLC與外界的信息交換。這些總線(xiàn)命令對應的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的數據傳送。但不是很多MODBUS設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。

1.MODBUS通信格式

MODBUS協(xié)議定義了兩種傳輸模式，即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU模式中，1字節的信息作為一個(gè)8位字符被發(fā)送，而在A(yíng)SCII模式中則作為兩個(gè)ASCII字符被發(fā)送，如發(fā)送字符 “20”時(shí)，采用RTU模式時(shí)為“00100000”，然而采用ASCII模式則成為“00110010”+“00110000”(ASCII字符的 “2”和“0”)?？梢?jiàn)，發(fā)送同樣的數據時(shí)，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍。一般來(lái)說(shuō)，數據量少而且主要是文本時(shí)采用ASCII;通信數據量大而且是二進(jìn)制數值時(shí)，多采用RTU模式。

主站一次可向一個(gè)或所有從站發(fā)送通信請求(或指令)，主設備通過(guò)消息幀的地址域來(lái)選通從設備。主站發(fā)送的消息幀的內容和順序為：從站地址、功能碼、數據域(數據起始地址、數據量、數據內容)、CRC校驗碼;從站應答的信息內容和順序與主站信息幀基本相同。MODBUS除了定義通信功能碼之外，同時(shí)還定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據錯誤的原因采取相應的措施。從站應答的數據內容依據功能碼進(jìn)行響應，例如功能代碼03要求讀取從站設備中保持寄存器的內容。

2. CRC校驗的實(shí)現

MODBUS通信的RTU模式中，規定信息幀的最后兩個(gè)字節用于傳遞CRC(Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗)碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數據域的所有字節按規定的方式進(jìn)行位移并進(jìn)行XOR(異或)計算，即可得到2字節的 CRC碼，并把包含CRC校驗碼的信息幀作為一連續的流進(jìn)行傳輸。接收方在收到該信息幀時(shí)按同樣的方式進(jìn)行計算，并將結果同收到的CRC碼的雙字節比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發(fā)送CRC錯誤應答。

RTU模式一般采用CRC-16冗余校驗方法，CRC-16的校驗碼為16位(2字節)，其中低字節在前，高字節在后。實(shí)現CRC校驗有兩種方法：根據CRC校驗的定義公式進(jìn)行計算，或者在程序中建立CRC校驗值表。在程序中使用前者更容易實(shí)現，這里需要使用CRC生成多項式 X16+X15+X2+1。該多項式對應的碼組系數為18005H(16進(jìn)制)，去除最高位，對應的16位余數為8005H，即為CRC-16常數。 CRC-16校驗過(guò)程如下：將CRC寄存器的每一位預置為1;把該寄存器值與8bit的信息幀數據進(jìn)行異或，結果存于該寄存器;對CRC寄存器從高到低進(jìn)行移位，在最高位(MSB)的位置補零，而最低位(LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC寄存器)如果為1，則把寄存器與CRC-16常數進(jìn)行異或，否則如果 LSB為零，則無(wú)需進(jìn)行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個(gè)8bit數據處理完畢，用此時(shí)寄存器的值與下一個(gè)8bit數據異或并進(jìn)行如前一樣的8 次移位。所有的字符處理完成后CRC寄存器內的值即為最終的CRC值。CRC添加到消息中時(shí)，先加入低字節，然后高字節。

3. 鏈路特征

MODBUS標準的物理層可以采用RS-232串行通信方式，但在長(cháng)距離通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多點(diǎn)通信情況下只采用 RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系統采用屏蔽雙絞線(xiàn)，通信距離可達1000m。一條總線(xiàn)上最多可配置31個(gè)從站設備。傳輸線(xiàn)上的信息交換是半雙工的，即同時(shí)只能有一臺設備允許發(fā)送信息，主站在發(fā)送下一條指令之前等待從站回應，從而避免了線(xiàn)路的沖突。

RTU模式的傳輸格式是1個(gè)數據位，2個(gè)停止位，沒(méi)有奇偶校驗位。通信數據安全由控制參數CRC-16碼保證。RTU接收設備依靠接收字符間經(jīng)過(guò)的時(shí)間判斷一幀的開(kāi)始，如果經(jīng)過(guò)3個(gè)半的字符時(shí)間后仍然沒(méi)有新的字符或者沒(méi)有完成幀，接收設備就會(huì )放棄該幀，并設下一個(gè)字符為新一幀的開(kāi)始。