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MODBUS总线控系统的技术特征

时间:2013-01-10 来源:电气自动化技术网 编辑:李亮 点击:次 字体设置:

  MODBUS通讯协议是一种工业现场总线通讯协议,它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构,独立于物理层介质,可以承载于多种网络类型中。MODBUS协议把通信参与者规定为“主站”(Master)和“从站”(Slave),数据和信息的通信遵从主/从模式,当它应用于标准MODBUS网络时,信息被直接传送。MODBUS总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来,只允许一个控制器作为主站,其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式,主站发出请求,从站应答请求并送回数据或状态信息,从站不能够自己发送信息。MODBUS协议定义的各种信息帧格式,描述了主站控制器访问从站设备的过程,规定从站怎样做出应答响应,以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址,只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。

  由于MODBUS总线系统开发成本低,简单易用,并且现在已有很多工控器、PLC、显示屏等都具有MODBUS通信接口,所以它已经成为一种公认的通信标准。通过MODBUS总线,可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络,进行集中监控。

  MODBUS最初为PLC通信而设计,它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。但不是很多MODBUS设备的控制只使用其中的几条命令,对其余命令不做反应。

  1.MODBUS通信格式

  MODBUS协议定义了两种传输模式,即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU模式中,1字节的信息作为一个8位字符被发送,而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送,如发送字符“20”时,采用RTU模式时为“00100000”,然而采用ASCII模式则成为“00110010”+“00110000”(ASCII字符的“2”和“0”)。可见,发送同样的数据时,RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说,数据量少而且主要是文本时采用ASCII;通信数据量大而且是二进制数值时,多采用RTU模式。

  主站一次可向一个或所有从站发送通信请求(或指令),主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为:从站地址、功能码、数据域(数据起始地址、数据量、数据内容)、CRC校验码;从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。MODBUS除了定义通信功能码之外,同时还定义了出错码,标志出错信息。主站接收到错误码后,根据错误的原因采取相应的措施。从站应答的数据内容依据功能码进行响应,例如功能代码03要求读取从站设备中保持寄存器的内容。

  MODBUS部分功能码

  2. CRC校验的实现

  MODBUS通信的RTU模式中,规定信息帧的最后两个字节用于传递CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验)码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR(异或)计算,即可得到2字节的CRC码,并把包含CRC校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算,并将结果同收到的CRC码的双字节比较,如果一致就认为通信正确,否则认为通信有误,从站将发送CRC错误应答。

  RTU模式一般采用CRC-16冗余校验方法,CRC-16的校验码为16位(2字节),其中低字节在前,高字节在后。实现CRC校验有两种方法:根据CRC校验的定义公式进行计算,或者在程序中建立CRC校验值表。在程序中使用前者更容易实现,这里需要使用CRC生成多项式X16+X15+X2+1。该多项式对应的码组系数为18005H(16进制),去除最高位,对应的16位余数为8005H,即为CRC-16常数。CRC-16校验过程如下:将CRC寄存器的每一位预置为1;把该寄存器值与8bit的信息帧数据进行异或,结果存于该寄存器;对CRC寄存器从高到低进行移位,在最高位(MSB)的位置补零,而最低位(LSB,移位后已经被移出CRC寄存器)如果为1,则把寄存器与CRC-16常数进行异或,否则如果LSB为零,则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次,第一个8bit数据处理完毕,用此时寄存器的值与下一个8bit数据异或并进行如前一样的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC添加到消息中时,先加入低字节,然后高字节。

  3. 链路特征

  MODBUS标准的物理层可以采用RS-232串行通信方式,但在长距离通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多点通信情况下只采用RS-485方式,所以RTU模式下的MODBUS系统采用屏蔽双绞线,通信距离可达1000m。一条总线上最多可配置31个从站设备。传输线上的信息交换是半双工的,即同时只能有一台设备允许发送信息,主站在发送下一条指令之前等待从站回应,从而避免了线路的冲突。

  RTU模式的传输格式是1个数据位,2个停止位,没有奇偶校验位。通信数据安全由控制参数CRC-16码保证。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始,如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧,接收设备就会放弃该帧,并设下一个字符为新一帧的开始。

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