Modbus總線協(xié)議
工業(yè)控制已從單機(jī)控制走向集中監(jiān)控、集散控制,如今已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。Modbus就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種。
1. 協(xié)議概述
物理層：傳輸方式：RS485
通訊地址：0-247
通訊波特率：可設(shè)定
通訊介質(zhì)：屏蔽雙絞線
傳輸方式：主從半雙工方式
協(xié)議在一根通訊線上使用應(yīng)答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。首先，主計(jì)算機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備（從機(jī)），然后，在相反的方向上終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)傳輸給主機(jī)。
協(xié)議只允許在主計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備之間，而不允許獨(dú)立的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這就不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。
一個(gè)數(shù)據(jù)幀格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位或者無奇偶檢驗(yàn)位、1位或者2位停止位。
一個(gè)數(shù)據(jù)包格式：
協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)格式、功能碼等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。
當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)終端設(shè)備時(shí)，它通過一個(gè)簡(jiǎn)單的“口”進(jìn)入尋址到的設(shè)備，該設(shè)備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒有錯(cuò)誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請(qǐng)求的任務(wù)，然后，它將自己生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機(jī)地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請(qǐng)求數(shù)據(jù)(Data)和一個(gè)校驗(yàn)碼(Check)。發(fā)生任何錯(cuò)誤都不會(huì)有成功的響應(yīng)。
1.1 地址（Address）域
地址域在幀的開始部分，由8位（0 ~ 255）組成，這些位標(biāo)明了用戶指定的終端設(shè)備的地址，該設(shè)備將接收來自與之相連的主機(jī)數(shù)據(jù)。每個(gè)終端設(shè)備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會(huì)響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)終端發(fā)送回一個(gè)響應(yīng)，響應(yīng)中的從機(jī)地址數(shù)據(jù)便告訴了主機(jī)哪臺(tái)終端正與之進(jìn)行通信。
1.2 功能（Function）域
功能域代碼告訴了被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。表1-1列出了部分常用的功能碼、它們的意義及它們的初始功能。
表1-1 功能碼
1.3 數(shù)據(jù)域
數(shù)據(jù)域包含了終端執(zhí)行特定功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者極限值。例如：功能域代碼告訴終端讀取一個(gè)寄存器，數(shù)據(jù)域則需要指明從哪個(gè)寄存器開始及讀取多少個(gè)數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌的地址和數(shù)據(jù)依照類型和從機(jī)之間的不同能力而有所不同。
1.4 校驗(yàn)域
該域允許主機(jī)和終端檢查傳輸過程中的錯(cuò)誤。有時(shí)，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備時(shí)在線路上可能會(huì)發(fā)生一些改變，出錯(cuò)校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC主機(jī)或者終端不去響應(yīng)那些傳輸過程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率，出錯(cuò)校驗(yàn)使用了16位循環(huán)冗余的方法。
[注] 發(fā)送序列總是相同的 – 地址、功能碼、數(shù)據(jù)和與方向相關(guān)的出錯(cuò)校驗(yàn)。
1.5 錯(cuò)誤檢測(cè)
循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）域占用兩個(gè)字節(jié)，包含了一個(gè)16位的二進(jìn)制值。CRC值由傳送設(shè)備計(jì)算出來，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)重新計(jì)算CRC值，然后與接收到的CRC域中的值進(jìn)行比較，如果這兩個(gè)值不相等，就發(fā)生了錯(cuò)誤。
CRC運(yùn)算時(shí)，首先將一個(gè)16位的寄存器預(yù)置為全1，然后連續(xù)把數(shù)據(jù)幀中的8位字節(jié)與該寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行運(yùn)算，僅僅每個(gè)字節(jié)的8個(gè)數(shù)據(jù)位參與生成CRC，起始位和停止位以及可能使用的奇偶位都不影響CRC。
在生成CRC時(shí)，每個(gè)8位字節(jié)與寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行異或，然后將結(jié)果向低位移位，高位則用“0”補(bǔ)充，最低位（LSB）移出并檢測(cè)，如果是1，該寄存器就與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值進(jìn)行一次異或運(yùn)算，如果最低位為0，不作任何處理。
上述處理重復(fù)進(jìn)行，直到執(zhí)行完了8次移位操作，當(dāng)最后一位（第8位）移完以后，下一個(gè)8位字節(jié)與寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行異或運(yùn)算，同樣進(jìn)行上述的另一個(gè)8次移位異或操作，當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的所有字節(jié)都作了處理，生成的最終值就是CRC值。
生成一個(gè)CRC的流程為：
1. 預(yù)置一個(gè)16位寄存器為0FFFFH（全1），稱之為CRC寄存器。
2. 把數(shù)據(jù)幀中的第一個(gè)8位字節(jié)與CRC寄存器中的低字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)果存回CRC寄存器。將CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測(cè)。
3. 如果最低位為0：重復(fù)第2步（下一次移位）。
如果最低位為1：將CRC寄存器與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進(jìn)行異或運(yùn)算。
1. 重復(fù)第2步和第3步直到8次移位。這樣處理完了一個(gè)完整的八位。
2. 重復(fù)第2步到第4步來處理下一個(gè)八位，直到所有的字節(jié)處理結(jié)束。
3. 最終CRC寄存器的值就是CRC的值。
2. 應(yīng)用層功能詳解
2.1 讀保持寄存器（功能碼03）
2.1.1 查詢
功能碼03H允許用戶讀取多個(gè)保持寄存器的內(nèi)容。主站設(shè)備可設(shè)從保持寄存器的任何起始地址讀取多個(gè)寄存器的值。表2-1的例子是從03號(hào)從機(jī)讀3個(gè)數(shù)據(jù)U1,U2,U3, 其中U1的地址為0001H, U2的地址為0002H, U3的地址為0003H，即寄存器起始地址為0001H，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為0003H。
表2-1 讀U1、U2、U3的查詢數(shù)據(jù)幀
2.1.2 響應(yīng)
響應(yīng)包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)。表2-2的例子是讀取U1,U2,U3的響應(yīng)。
表2-2 讀U1,U2,U3 的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀
2.2 預(yù)置多個(gè)寄存器（功能碼10）
2.2.1 查詢
功能碼10H允許用戶改變多個(gè)寄存器的內(nèi)容，設(shè)備可從任何地址開始設(shè)置多個(gè)變量的值。表2-3的例子是修改3號(hào)從站設(shè)備的負(fù)載監(jiān)控1和負(fù)載監(jiān)控2的動(dòng)作及延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值，其中負(fù)載監(jiān)控1的動(dòng)作設(shè)定值地址為2AH，延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值為2BH，負(fù)載監(jiān)控2的動(dòng)作設(shè)定值地址為2CH，延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值為2DH。
表2-3 修改負(fù)載監(jiān)控1和負(fù)載監(jiān)控2的動(dòng)作值及延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值
2.2.2 響應(yīng)
響應(yīng)包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)。表2-4的例子是修改負(fù)載監(jiān)控1和負(fù)載監(jiān)控2的動(dòng)作值及延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值的響應(yīng)。
表2-4 修改負(fù)載監(jiān)控1和負(fù)載監(jiān)控2的動(dòng)作值及延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值的響應(yīng)
2.3 預(yù)置單個(gè)寄存器（功能碼06）
2.3.1查詢
功能碼06允許用戶改變單個(gè)寄存器的內(nèi)容。表2-5的例子是修改03號(hào)從機(jī)過載動(dòng)作設(shè)定值Ir1，其中Ir1地址是002EH.
表2-5 修改過載動(dòng)作設(shè)定值Ir1
2.3.2響應(yīng)
對(duì)于預(yù)置單個(gè)寄存器請(qǐng)求的正常響應(yīng)是在寄存器值改變以后將接收到的數(shù)據(jù)傳送回去。
表2-6 修改過載動(dòng)作設(shè)定值Ir1響應(yīng)
