（信号与信息处理专业论文）modbus与can总线协议适配器的设计与实现.pdf

m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 础塞圆丛堕 蛰蛤一 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得! 洼! 地遗查墓他霞要壁剔直明鳆：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：档岳搀签字日期砷年岁月如 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 乍乒居 i刷程毛陟 签字日期：口年j 月沂签字日期：山口年，月) 日 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 摘要 现场总线技术是当今自动化领域发展的研究热点。c a n 总线作为一种可靠性 高、功能完善、灵活性好并且成本合理的先进远程网络控制方式在工业自动化控 制领域中有着非常广泛的应用。m o d b u s 规约实现了o s i 参考模型中应用层的定 义，通常作为仪表设备层网络通信。 目前市场上的情况，大多数的现场智能仪器仪表和其他的自动化控制装置通 常采用了m o d b u s 串行接口通信协议。而m o d b u s 规约与c a n 总线协议是互不兼 容的。采用m o d b u s 规约的设备不能接入在c a n 总线网络。 本文对m o d b u s 规约、c a n 总线技术进行了研究，从软件和硬件两方面着手设 计了一种简单易用、能够进行智能化协议适配器，以智能转换的方式实现m o d b u s 总线协议与c a n 总线协议之间的可靠、高速转换。实现采用m o d b u s 规约的设备 通过总线协议适配器灵活地接入c a n 总线网络。 针对总线协议适配器恶劣的工作环境，从硬件设计和软件设计方面增强总线 协议适配器的可靠性和抗干扰能力。 本文还介绍了实验室试验的情况以及实验结果的分析。为总线协议适配器的 工作性能指标提供了数据依据。 本课题的实际意义在于设计的智能总线协议适配器成为m o d b u s 总线和c a n 总 线网络兼容的实施方案，实现采用了m o d b u s 串行接口通信协议的大多数的现场 智能仪器仪表和其他的自动化控制装置灵活接入到c a n 现场总线网络中。阐述的 应用方法也可为其它的工控领域提供参考。 关键词：现场总线，m o d b u s ，c a n ，适配器 t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fm o d b u sa n dc a n b u s p r o t o c o la d a p t e r a b s t r a c t f i e l db u st e c h n o l o g yi st h er e s e a r c hh o t s p o to fa u t o m a t i o nd e v e l o p m e n t n o w c a nb u sa sar e li a b l e ，f u n c t i o n a l ，f l e x i b l ea n da d v a n c e dr e m o t e n e t w o r kc o n t r o lm e t h o dw h i c ha tar e a s o n a b l ep r i c e h a sav e r yw i d er a n g e o fa p p l i c a t i o n si nt h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dc o n t r o la r e a m o d b u s s t a t u t ee n a b l e st h ed e f i n i t i o no ft h ea p p l i c a t i o nl a y e ri no s ir e f e r e n c e m o d e l ，u s u a l l ya st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o nl a y e r i nt h ep r e s e n tc i r c u m s t a n c e s ，m o s to ft h ef i e l di n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t sa n dm e t e r s ，a n do t h e ra u t o m a t i o nc o n t r o ld e v i c e sc o m m o n l y a d o p tm o d b u ss e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 h o w e v e r ，t h em o d b u s s t a t u t ea n dt h e c a nb u sp r o t o c o la r ei n c o m p a t i b l e t h ed e v i c e sw h i c ha d o p t m o d b u ss t a t u t ec a nn o tb ea c c e s st ot h ec a n b u sn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g nas i m p l ea n dc a p a b l eo fi n t e l l i g e n tp r o t o c o l a d a p t e rb o t hf r o m t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es e tb a s e do ns t u d y i n gt h e m o d b u sa n dc a nb u s ，a c h i e v i n gt h er e l i a b l ea n dh i g h - s p e e dc o n v e r s i o n b e t w e e nt h em o d b u sb u sp r o t o c o la n dc a nb u sp r o t o c o lina ni n t e l1i g e n t m o d e t h ed e v i c e sw h i c ha d o p tm o d b u ss t a t u t ec a na c c e s st oc a nb u sn e t w o r k t h r o u g hb u sp r o t o c o la d a p t e rf l e x i b l y a c c o r d i n gt ot h ep o o rw o r k i n gc o n d i t i o n so fb u sp r o t o c o la d a p t e r ，t h e r e li a b i1i t ya n da n t i 。j a m m i n gc a p a b i1i t yo fb u sp r o t o c o la d a p t e rc a nb e e n h a n c e df r o mb o t h t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h i sa r t i c l ea l s od e s c r i b e st h el a b o r a t o r yt e s t sa sw e l la sa n a l y s i s o ft h er e s u l t s p r o v i d ed a t af o u n d a t i o nf o rt h ew o r kp e r f o r m a n c eo fb u s p r o t o c o la d a p t e r t h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h i si s s u e 1 i e si nt h ei m d l e m e n t a t i o n p l a no f i n t e lli g e n tb u sp r o t o c o la d a p t e rw h i c hm a d em o d b u sb u sa n dc a n b u sn e t w o r kc o m p a t i b l e i te n a b l e sm o s to ft h ef i e l di n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t sa n dm e t e r sw h i c ha d o p tm o d b u ss e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n do t h e ra u t o m a t i o nc o n t r o ld e v i c e st oa c c e s st ot h ec a nf i e l d b u sn e t w o r kf l e x i b l y t h ed e s c r i b e da p p l i c a t i o nm e t h o dc a na l s op r o v i d e ar e f e r e n c ef o ro t h e ra r e a so f t h ei p c k e y w o r d s ：fie id b u s ，m o d b u s 。c a n ，a d a p t e r 目录 1 绪论。1 1 1 课题研究的意义1 1 2 现场总线概述2 1 3 现场总线的网络体系结构及网络模型3 1 3 1 网络体系结构3 1 3 2 控制网络模型4 1 4 国内外研究现状及发展趋势5 1 5 课题的来源及主要内容8 2m o d b u s 和c a n ( 控制器局域网) 总线技术的介绍9 2 1m o d b u s 技术9 2 2 1m o d b u s 概述9 2 1 2m o d b u s 技术架构l0 2 1 3m o d b u s 功能码分类14 2 2c a n ( 控制器局域网) 总线技术1 5 2 2 1c a n 总线技术概述15 2 2 2c a n 的技术架构1 7 2 2 3c a n 总线技术的应用2 3 3m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的硬件和软件设计。2 4 3 1 总线协议适配器的硬件方案设计2 4 3 1 1 硬件总体设计方案2 4 3 1 2 主要器件的简介及型号选择2 4 3 1 3 总线协议适配器m o d b u s 接口电路的设计2 8 3 1 4 总线协议适配器c a n 接口电路的设计2 9 3 2 总线协议适配器的软件方案设计3 3 3 2 1 软件设计3 3 3 2 2m o d b u s 报文帧向c a n 数据帧转换的软件设计3 4 3 2 3c a n 数据帧向m o d b u s 报文帧转换的软件设计一3 9 3 2 4c r c 校验的软件实现4 0 3 2 5 协议适配器参数配置程序的设计4 3 3 3 适配器的可靠性及抗干扰性设计4 3 3 3 1 总线协议适配器的硬件抗干扰性设计4 4 3 3 2 总线协议适配器的软件抗干扰性设计4 6 4m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的实验测试。4 8 4 1m o d b u s 与c a n 总线协议适配器测试方案4 8 4 1 1 测试总线协议适配器的m o d b u s 协议向c a n 总线转化的功能4 8 4 1 2 测试总线协议适配器的c a n 总线向m o d b u s 协议转化的功能4 9 4 2 实验测试设备4 9 4 3 实验测试数据及结果分析5 1 4 3 1 协议适配器由m o d b u s 向c a n 转换51 4 3 2 协议适配器由c a n 向m o d b u s 转换5 2 5 总结与展望5 6 参考文献5 7 致谢。5 9 个人简历。6 0 发表的学术论文。6 1 i i m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 1 绪论 由于网络技术、仪表技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的高速发展， 工业生产过程的决策层、管理层、监控层、控制层和到现场设备都产生了向全数 字化发展的趋势。例如工业过程控制系统中模拟量信号实现了数字化传输的技术 革命的产生就是由于现场总线技术产生和发展的结果。工业过程控制系统正向全 数字化、全开放式和可互操作的方向上蓬勃发展着。 本章内容首先阐述了课题研究的意义，然后介绍了现场总线技术的特点、网 络结构和控制网络模型以及国内外研究现状及发展趋势。 1 1 课题研究的意义 现场总线技术是当今自动化领域发展的研究热点。c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 即控制局域网络是由德国b o s c h 公司推出的数据通信网络，最早用于 汽车内部监测部件与控制部件。c a n 规范现已被国际标准化组织采纳，成为 i s 0 11 8 9 8 标准。c a n 总线具有高位速率、高抗电磁干扰性、低成本、极高的总 线利用率的优点，最大传输距离达到10 k m ，最快传输速率可达lm b p s 。c a n 总线作为一种可靠性高、功能完善、灵活性好并且成本合理的先进远程网络控制 方式在工业自动化控制领域中有着非常广泛的应用。 m o d b u s ，是m o d i c o n 公司最先倡导的一种软的通讯规约，后来经过大多 数公司的实际应用后逐渐被认可，成为一种标准的通讯规约。只要按照m o d b u s 规约进行数据通讯或传输，不同的系统或设备之间就可以实现无障碍的数据通 讯。m o d b u s 规约实现了o s i 参考模型中应用层的定义，通常作为仪表设备层 网络通信。目前市场上的情况，大多数的现场智能仪器仪表和其他的自动化控制 装置通常采用了m o d b u s 串行接口通信协议。 而m o d b u s 规约与c a n 总线协议是互不兼容的。本课题将对m o d b u s 规 约、c a n 总线技术以及两者之间的转换进行研究，实现采用m o d b u s 通信规 约的设备接入到c a n 现场总线网络中。 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 1 2 现场总线概述 国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 对作为自动化领域中计算机 通讯结构体系中最下层的- l 业数据通讯网络现场总线的定义是：现场总线是 连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 定义中提到的现场设备指的是位于自动化控制网络最底层的控制、执行和计算终 端设备。现场总线是在工业过程控制自动化领域的，实现智能化现场设备与应用 层设备之间全数字化、全开放式和可互操作通信系统。通过现场总线技术可以实 现不同网络间的分布式控制。 现场总线技术的产生变革了传统的自动化系统体系结构、设计方法、安装调 试方法，改变了传统的信号标准、通信标准、系统标准制定，形成了网络全分布 控制系统，即现场总线控制系统( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控制系统 是指分散在各个工业现场的现场设备通过现场总线互联，与应用层设备共同构成 的控制系统。现场总线控制系统顺应了控制系统的全数字化、全开放式和可互操 作的发展方向，是现场总线技术在控制系统领域的带来的革新。 现场总线技术有着自身的特色，主要概括为以下几个方面： 1 传输线路结构简单 两条信号线( 总线) 挂接多台设备，双向传输多个数字信号。这种一对多的结构 比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，成本低，易于维护。 2 简化了控制系统的集成度 现场总线采用统一的协议标准，不同厂商的网络产品可以方便灵活地连接在 同一网络中，因此简化了控制系统的集成度。 3 分布式控制 现场总线将控制功能转移到网络节点的现场智能仪表和设备中，构成了虚拟 控制站。实现了分布式控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全性，减轻了控 制站的计算负担。 2 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 4 开放式互联网络 可以实现同类网络、不同类网络互联，实现网络数据库共享，通过网络对现 场设备和功能模块统一组态。 5 多种传输媒介和拓扑结构 采用数字化得通讯方式，可在多种传输介质上进行通信；采用多种的网络拓 扑结构。传输介质和网络拓扑结构的多样性极大地方便了自动化系统的施工。 6 安全性、低功耗 某些现场总线的常用传输线是双绞线，通信线供电方式允许现场直接从通信 线上摄取能量，这种低功耗的方式可以实现本质上的安全环境。 1 3 现场总线的网络体系结构及网络模型 1 3 1 网络体系结构2 1 现场总线没有采用七层o s i 结构而是采用了物理层、数据链路层和应用层三 层网络结构。主要原因有： 1 用于控制的信息都非常有限，而且要求较高的实时性，o s i 结构转化传输 数据的时间难以满足实时操作要求； 2 现场总线设备不需要o s i 地址，故没有必要技术复杂的网络层； 3 从成本角度上看，o s i 系统各层的成本，对现场总线的应用来说过高； 4 现场总线的三层网络结构具有简单的结构、直观的执行协议、成本低廉等 优点，而且性能较高。 现场总线是一种开放的实时网络系统，具有简单的网络结构。现场总线体系 结构模式如下图： m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 1 3 2 控制网络模型3 1 图卜1 现场总线体系结构模式 从本质上讲，现场总线是一种控制网络，网络技术就成为了现场总线的重要 基础。和i n t e m e t 等信息网络相比，控制网络最大的不同点在于直接面向生产过 程，要求拥有较高的可用性、可靠性和实时性。因此，现场总线对标准的网络协 议作了系统的简化，一般只包括o s i 网络结构中的3 层。除此之外，现场总线 还要实现与应用信息系统之间的数据交互和传输。 现场总线控制网络模型应具有远程监控层、现场总线监控层、现场设备层三 层网络结构。 1 远程监控层 远程监控层主要负责在分布式网络环境下搭建安全可靠的远程监控系统。首 先要将现场总线监控层的数据信息传输到上层的应用信息系统中，因此远程用户 就能随时通过网络工具查询网络运行状态以及现场设备的运行状况，实时地远程 监控生产过程。具有了特定的权限的远程用户，还可以在线设置修改设备参数和 运行参数，实现了现场测控信息的实时传递。 2 现场总线监控层 4 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 现场总线监控层主要从现场设备中获取各种数据，实现各种控制、运行参数 监控、控制组态的设计等功能。监控层的功能由上层的应用信息系统完成。 3 现场设备层 依照现场总线的协议标准，现场设备采用功能块的结构，通过组态设计，完 成各种功能。 现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、 可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。 常见的现场总线网络拓扑结构有： 环形网：时延确定性好，重载时网络效率高，轻载时传输效率下降。 总线网：方便接入节点，成本低。轻载时网络效率高，重载时网络效率 下降。 树型网：频带较宽，可扩展性好，节点间通信不便。 令牌总线网：融合环形网和总线网的优点，物理上是总线网，逻辑上是 令牌网。网络传输时延确定、无冲突、节点接入方便，可靠性好。 在整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网络模型的核心，只有 总线设备之间数据传输可靠、准确、完整，上层应用信息系统才能获取信息以及 实现监控功能。当前对现场总线的讨论多停留在底层的现场设备层，从现场总线 控制网络模型的角度上讲，应更多地研究现场设备层与中间监控层、应用层之间 的交互问题，以及实现控制网络与信息网络的集成。 1 4 国内外研究现状及发展趋势 现场总线是制造技术、仪表技术、自动化技术、计算机技术与网络技术的有 机结合，相关技术的发展对现场总线的发展都有很大的推动作用，尤其是网络技 术对现场总线的影响。现场总线技术顺应了控制系统向网络化、分布式、智能化 发展的方向，成为了工业自动化技术领域的热点，在世界上引起了的普遍关注。 各大自动化公司都推出了各自的现场总线标准，提出了现场总线控制系统解决方 案和产品。 5 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 经过十余年的发展，于2 0 0 1 年8 月制定出1 0 种类型的现场总线。 ( 1 ) t s 6 11 5 8 现场总线 该总线主要采用了f o u n d m i o nf i e l d b u s 总线和w o r l d f i p 总线基本技术，支持 各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，主要用于本地控制器、执行器和传 感器之间的底层通信，可以实现p l c 的互连。 ( 2 ) c o n t r o l n e t 和e t h e m e t i p 现场总线 c o n t r o l n e t 采用了生产者客户( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模式，该模式实现了在 同一时间里网络上的所有节点从单个数据源存取相同的数据，实现了精确的同 步、提高了效率、增强了系统的功能。e t h e m e t i p 以太网工业协议在t c p u d p i p 之上附加控制和信息协议，提供一个公共的应用层。c o n u o l n e t 和e t h e m e t i p 都 使用控制和信息协议通信，共享对象库、对象和设备规约，使得不同的设备能在 整个网络中实现即插即用。 ( 3 ) p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 现场总线有p r o f i b u s d p v1 和p r o f i b u s d p v 2 之分。p r o f i b u s d p 实 现了底层设备级自动控制系统与o 之间高速通信。p r o f i b u s p a 适用于过程自动 化，使用两根线实现数据通信和供电，实现了本质安全性能。在此基础上，d p v l 进一步完善了p r o f i b u s p a 功能；d p v 2 解决了从站之间的通信与时间同步等重 大问题。 ( 4 ) p n e t 现场总线 p n e t 现场总线是多网络、多主站系统，采用分段式总线结构，每个总线分 段上可以接入多个主站，主站之间通过接口实现网络互连，它允许在没有递阶网 络结构的前提下可以实现多个总线区直接寻址，。 ( 5 ) f fh s e 现场总线 h s e 网络遵循标准的以太网协议规范，并根据需要适当增加了一些过程控制 功能，这些增加的功能可以在标准的以太网结构框架内无缝地进行操作，因而 f fh s e 总线可以使用通用的商用( c o t s ) 以太网设备。 6 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 ( 6 ) s w i r n e t 现场总线 该总线具有简单的结构、较高的实时性，仅包括物理层和数据链路层两层结 构。s w i f i n e t 现场总线采用分层总线式拓扑结构。物理层波特率为5 m b p s ，一秒 钟内实现1 0 5 个不同报文的传送。总线使用t d m a ( s l o t t e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 时分多址方式。 ( 7 ) w o r l d f i p 现场总线 w o r l d f i p 现场总线系统分为过程、控制和监控三级。适合于集中型、分散型 和主站从站型等各种类型的应用结构。w o r l d f i p 协议包含物理层、数据链路层 和应用层三层结构。 ( 8 ) i n t e r b u s 现场总线 i n t e r b u s 现场总线可以构成各种拓扑形式，可以实现1 6 级嵌套连接方式、 最多可挂5 1 2 个现场设备，设备的最大间距为4 0 0 米。i n t e r b u s 总线包括远 程总线和本地总线。i n t e r b u s 协议包括物理层、数据链路层和应用层三层结 构。 ( 9 ) f fh 1 现场总线 f fh 1 现场总线协议由物理层、数据链路层、应用层以及用户层四层组成。 h l 总线支持双绞线、电缆、光缆和无线等多种传输媒介。 ( 1 0 ) p r o f in e t 现场总线 p r o f in e t 有机地融合了工厂自动化和企业信息管理层i t 技术，完全保留了 p r o f i b u s 现有的开放性。该方案支持建立在普遍使用的e t h e m e tt c p h p 基础上的 开放的、面向对象的通信，具有较高的实时性。 此外还有这样几种上面未提到但很常用的现场总线，比较流行的有嘲嘲： ( 1 ) l o n w o r k s 现场总线 由美国e c h e l o n 公司推出并与东芝、摩托罗拉共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布 而形成的，采用面现对象的设计方法和i s o o s i 模型的全部七层网络结构，广泛 7 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 应用于家庭自动化、楼宇自动化、保安系统、办公设备等行业，基本没有应用在 工业方面。 ( 2 ) h a r t 协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 由r o s e m o u n t 公司开发的被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通讯 协议，得到t k 十多家仪表公司的支持，1 9 9 3 年成立了h a r t 通讯基金会。其 特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号传输，属于模拟系统数字化转变的 过渡性产品。 ( 3 ) c a n 总线 c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的缩写，由德国b o s c h 公司 推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应 用到其他控制领域。c a n 规范现已被国际标准化组织采纳，成为i s 0 1 1 8 9 8 标 准。在本文第二章将详细介绍c a n 总线。 1 5 课题的来源及主要内容 本课题针对研究目标和设计的关键技术进行了研究和开发，主要工作内容概 括如下： 第一章为绪论，简要介绍了现场总线的概念、特点和种类。 第二章介绍和分析了当前流行的现场总线m o d b u s 协议规范和c a n 总线技术 的分层结构和技术应用。 第三章为设计部分，根据所提出的现场总线控制系统结构，结合当前的先进 微控制器，详细介绍了协议适配器的软硬件设计，并对硬件电路的可靠性设计和 软硬件抗干扰性进行了分析。 第四章阐述了协议适配器的测试方案，并对测试数据进行了分析。 第五章对本文所做的研究开发工作进行了总结，并提出了进一步完善的设想。 8 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 2m o d b u s 和c a n ( 控制器局域网) 总线技术的介绍 2 1m o d b u s 技术 2 2 1m o d b u s 概述 m o d b u s 是m o d i c o n 公司最先倡导的一种软的通讯规约，经过大多数公 司的实际应用，逐渐被认可，成为一种标准的通讯规约，只要按照这种规约进行 数据通讯或传输，不同的系统就可以通讯。目前，在r s 2 3 2 r s 4 8 5 通讯过程中， 更是广泛采用这种规约。 通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设备 之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备 可以连成工业网络，进行集中监控。 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网 络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它 设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 当在一m o d b u s 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设 备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器 将生成反馈信息并用m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了m o d b u s 协议的 消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解 决节地址、路由路径及错误检测的方法。 1 在m o d b u s 网络上转输 标准的m o d b u s 口是使用r s 2 3 2 c 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、 电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由m o d e m 组网。 控制器通信使用主一从技术，即仅一设备( 主设备) 能初始化传输( 查询) 。 其它设备( 从设备) 根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备： 主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独 通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。 9 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、所有 要发送的数据、一错误检测域。 从设备回应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回 的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执 行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 2 在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制 器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。 提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在消息位，m o d b u s 协议仍提供了主一从原则，尽管网络通信方法是“对等”。 如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样， 当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。 3 查询一回应周期 ( 1 ) 查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了 从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码0 3 是要求从设备读保持寄存 器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读 及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的 方法。 ( 2 ) 回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的 功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有 错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了 描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。 2 1 2m o d b u s 技术架构 2 1 2 1a s c i i 模式和r t u 模式 m o d b u s 协议具有两种传输模式a s c i i 模式和r t u 模式。在一个m o d b u s 网 络上的所有设备都必须选择相同的传输模式。 l o m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 所选的a s c i i 或r t u 方式仅适用于标准的m o d b u s 网络，它定义了在这些网 络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解 码。在其它网络上( 象m a p 和m o d b u sp l u s ) m o d b u s 消息被转成与串行传输无 关的帧。 1 a s c i i 模式 当控制器设为在m o d b u s 网络上以a s c i i ( 美国标准信息交换代码) 模式通信， 在消息中的每个8 b i t 字节都作为两个a s c i i 字符发送。这种方式的主要优点是 字符发送的时间间隔可达到1 秒而不产生错误。 代码系统： 十六进制，a s c i i 字符0 9 ，a f 消息中的每个a s c i i 字符都是一个十六进制字符组成 每个字节的位： 1 个起始位 7 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) ，2 个b i t ( 无校验时) 错误检测域： l r c ( 纵向冗长检测) 2 r i u 模式 当控制器设为在m o d b u s 网络上以r t u ( 远程终端单元) 模式通信，在消息 中的每个8 b i t 字节包含两个4 b i t 的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在 同样的波特率下，可比a s c i i 方式传送更多的数据。 代码系统： 8 位二进制，十六进制数0 9 ，a f 消息中的每个8 位域都是一个两个十六进制字符组成 每个字节的位： 1 个起始位 8 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) ，2 个b i t ( 无校验时) 错误检测域： e r e ( 循环冗长检测) 2 1 2 2m o d b u s 消息帧结构 两种传输模式中( a s c i i 或r 1 w ) ，传输设备以将m o d b u s 消息转为有起点和 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断 哪一个设备被选中( 广播方式则传给所有设备) ，判知何时信息已完成。部分的 消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。 1 a s c i i 帧 使用a s c i i 模式，消息以冒号( ：) 字符( a s c i i 码3 a h ) 开始，以回车换行 符结束( a s c i i 码0 d h ，0 a h ) 。其它域可以使用的传输字符是十六进制的 0 9 ，a f 。网络上的设备不断侦测“：”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备 都解码下个域( 地址域) 来判断是否发给自己的。消息中字符间发送的时间间隔 最长不能超过1 秒，否则接收的设备将认为传输错误。典型的a s c i i 模式消息帧 如表2 1 所示： 表2 - 1 a s c i i 模式消息帧 起始位设备地址功能代码数据l r c 校验 结束符 1 个字符2 个字符2 个字符n 个字符2 个字符2 个字符 2 i u u 帧 使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。在网络 波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的( o n 表2 2 的t 1 t 2 t 3 t 4 所示) 。 传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0 9 ，a f 。网 络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域( 地址域) 接收到， 每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至 少3 5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。个新的消息可在此停顿后开始。 整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1 5 个字符 时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的 地址域。同样地，如果一个新消息在小于3 5 个字符时间内接着前个消息开始， 接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的c r c 域的值不可能是正确的。典型的r t u 帧消息帧如表2 2 所示： 表2 2r t u 模式消息帧 起始位设备地址功能代码数据c r c 校验 结束符 t l - t 2 一t 3 一t 41 个字节1 个字节n 个字节2 个字节t 1 1 2 一t 3 t 4 3 地址域 消息帧的地址域包含两个字符( a s c i i ) 或8 b i t ( r t u ) 。可能的从设备地址 是0 2 4 7 ( 十进制) 。单个设备的地址范围是1 2 4 7 。主设备通过将要联络的从设 1 2 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自 己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。地址0 是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当m o d b u s 协议用于更高水准的 网络，广播可能不允许或以其它方式代替。 4 如何处理功能域 消息帧中的功能代码域包含了两个字符( a s c i i ) 或8 b i t s ( r t u ) 。可能的代 码范围是十进制的1 2 5 5 。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于 某种控制器，还有些保留以备后用。 当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。 例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态， 允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。 当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应( 无误) 还是有某种错 误发生( 称作异议回应) 。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议 回应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位置为逻辑1 。 例如：一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功 能代码： 0 0 0 00011 ( 十六进制0 3 h ) 对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。 对异议回应，它返回：100000l l ( 十六进制8 3 h ) 除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的 数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。 主设备应用程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断 发给从设备的消息并报告给操作员。 5 数据域 数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围0 0 f f 。根据网络传输模式， 这可以是由一对a s c i i 字符组成或由一r t u 字符组成。 从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备必须用于进行执 行由功能代码所定义的所为。这包括了象不连续的寄存器地址，要处理项的数目， 域中实际数据字节数。 m o d b u s 与c a n 总线协议适配器的设计与实现 例如，如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器( 功能代码0 3 ) ，数据域 指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备的寄存器 ( 功能代码1 0 十六进制) ，数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的寄存器 数量，数据域的数据字节数，要写入寄存器的数据。 如果没有错误发生，从从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发 生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。 在某种消息中数据域可以是不存在的( o 长度) 。例如，主设备要求从设备回 应通信事件记录( 功能代码o b 十六进制) ，从设备不需任何附加的信息。 6 错误检测域 标准的m o d b u s 网络有两种错误检测方法。错误检测域的内容视所选的检测 方法而定。 a s c i