Modbus协议与现场总线

,3.1Modbus协议Modbus是MODICON公司于1979年开发的一种通讯协议。它是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通讯协议，已经成为一种电子控制器的通用语言,通过此协议控制器之间可以通讯,已成为一种工业标准。不同厂商生产的控制设备通过Modbus协议可以连成通讯网络,在PLC、变频器、电器设备及自动化仪表等领域都广泛应用Modbus协议。Modbus是链路层的主/从协议,采用请求响-应方式.主站发出带有从站地址的请求报文,具有该地址的从站收到该报文后发出响应报文。,第三章Modbus协议与现场总线,Modbus在OSI模型中所使用的层,3.1.1Modbus协议的物理层1.网络结构总线式主从结构主设备：PC机，PLC从设备：PLC，智能仪表一个主站可有1253个从站，从站之间不能相互通讯。2.通讯方式(a）一对一：主设备可以和从设备通讯，从设备响应。（b）一对N（广播）：主设备对N个从设备，从设备无响应。0地址表示广播地址。3.物理层支持RS-485、RS-232C。,CRLF0D0A,COLON3A,3.1.2Modbus协议的帧格式,Modbus有两种格式:ASCII格式;RTU格式,1.ASCII码帧格式(用ASCII表示数据),(1).字节格式,(2).数据表示方法地址:21表示ASCII码32H,31H,(:),(2)说明：a.地址域：从设备地址0-253,地址0为广播地址。b.功能域：代码范围1-255，命令从设备执行哪些功能(如读测量值，读开关量状态）c.数据域：（两部分内容）主设备到从设备：变量起始地址、变量个数。从设备到主设备：字节数n、数据n。d.检错：CRC-16,生成多项式Y=X16+X15+X2+1。,2.RTU格式(用二进制数表示数据),(1)RTU帧格式,3.1.3ModBus功能码,1.Modbus功能码,2.功能码3:读取在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值,该功能码主要用于读取设备参数,例：主机命令:读6BH开始的3个寄存器内容,从机响应:回传6个字节数据,说明（1）应用层：寄存器中存储的内容用户定义。（2）寄存器地址与寄存器：寄存器号减1为寄存器地址,3.功能码4：读取一个或多个输入寄存器值,主要用于读取设备测量数据,从寄存器8开始读一个寄存器值,4.功能6：写单个寄存器,例：从寄存器地址1开始，写一个寄存器值03,寄存器地址：0001H寄存器：0002H,5.功能码16:写多个寄存器,主机从01H地址开始写2个寄存器,从机响应主机,3.1.4应用举例题:有某地址为1的从设备,其变量定义如下:例1:主设备用3号命令寻址地址为1的从设备,读取寄存器地址为0000H的量程.主设备命令帧从设备响应帧,变量定义,主机请求,从机响应,量程(参数）,寄存器地址,0000H,测量值,0002H,字节数,2byte,2byte,主,从,地址,功能码,变量地址高,变量数高,CRC校验,01H,03H,00H,00H,变量数低,地址,功能码,01H,03H,字节数,02H,数据1,03H,CRC校验,*,流量=3E8H=1000,变量地址低,00H,01H,*,数据2,E8H,例2:主设备用4号命令寻址地为1的从设备,读取地址为0002H的测量值,01H,04H,0002H,0001H,#,地址,功能码,变量地址,变量数,CRC校验,地址,功能码,字节数,数据1,数据2,CRC,CRC,01H,04H,02H,03H,20H,*,*,从设备响应,主设备命令帧,测量值=320H=800,问题：测量值有小数和正负怎么办？,3.1.5CRC-16校验,1.说明:(1)CRC校验=地址码+功能码+数据(2)生成多项式G(x)=X16+X15+X2+1(11000000000000101)(3)生成多项式最高位总是1,所以实际中的生成多项式为1000000000000101(4)Modbus采用逆序生成多项式1010000000000001(5)CRC本质:移位异,是1与生成多项式或和,2:CRC方法,02,1,1,07,3.CRC计算程序(标准程序),数据指针,数据长度,CRC低位表,CRC高位表,auchCRCHi0 xFD,auchCRCHi0 x39,auchCRCLo0 xFD,auchCRCLo0 x39,CRCLo111111111ST00000010XORuIndex11111101auchCRCHi0 xFD=0 xC1uchCRCHi11111111XOR11000001uchCRCLo00111110uchCRCHi=auchCRCLo0 xFD100000012ST00000111uchCRCLo00111110XORuIndex00111001auchCRCH0 x39=0 xC0uchCRCHi100000001110000000XORuchCRCLo010000001,uchCRCHi=auchCRCLo0 x39=0 x12结果0 x1241,例:x2=0 x02,0 x07;CRC_n=CRC16(x,2);,压,3.2Modbus协议通讯从站软件设计,(1).主站使用Modbus04号命令采集从站测量数据(2).寄存器应用层定义,3.2.1从站软件设计要求,寄存器内容,压力,温度,液位,流量,2000H,Modbus寄存器,实际设计考虑问题(1).Modbus命令帧结束判定方法,(2).帧间隔控制方法(3)如何解决通讯数据串位及数据残缺等异常情况对通讯的影响.,3.2.2从站软件设计内容,2004H,2008H,200CH,寄存器地址,1.接收数据(1)串口接收数据(2)根据主站MODUBS命令读寄存器。(2)发送数据将所读寄存器发送出去,主站一次可能读一个寄存器，也可能读多个寄存器。,3.2.3从站接收命令帧方法,(1).设置一个定时器,定时3.5char时间(2).每接收一个数据,启动定时器定时.(3).定时时间到,说明在3.5char时间里没有通讯数据,表明帧结束,在定时中断服务程序中处理Modbus命令.,定时中断帧结束,读命令回答数据,启动定时器,3.5char,地址,功能码,变量地址,变量数,CRC校验,主站发给从站读寄存器命令8byte,从站3.5char后回答数据,如何确定MODBUS帧结束？,帧间隔3.5char定时方法,ICR1(触发寄存器),计数器,PWM输出,3.2.4从站程序设计(AVRMEGA64CPU),voidmain(void)unsignedchari=0;unsignedlongnum=0;OutSet1480;/*R485接收方向*/Set1480Rxd;Delays(100);_CLI();/*关中断UartInit();/*UART初始化TimeDelay=OscF*10/BaudRate0;/*根据波特率设置定时时间*/TCCR1B=(1=1000)/*若没有通讯，则定时初始化串口*/num=0;/*防止通讯死机*/CloseINT0();/*关通讯中断*/UartInit();/*初始化串口*/OutSet1480;/*设置I/O口为输出方向*/Set1480Rxd;/*设置RS485接收方向控制*/OpenINT0();/*开通讯中断*/,(1).主程序,voidUartInit(void)/*设置通讯波特率*/UBRR0L=(OscF/16/(BaudRate0+1)%256;UBRR0H=(OscF/16/(BaudRate0+1)/256;/*Uart0发送和接收引脚使能*/UCSR0B=(1RXEN0)|(1TXEN0);/*设置帧格式:8个数据位,1个停止位*/UCSR0C=(1URSEL0)|(1UCSZ01)|(1UCSZ00);UCSR0A=(1RXC0)|(1TXC0)|(1UDRE0)|(1FE0);,#pragmainterrupt_handlerusart0:iv_USART0_RXCvoidusart0(void)unsignedcharcombuf;combuf=UDR0;/*读通讯数据*/TIM16_WriteTCNT1(0 x0000);/*清定时时间常数*/TIM16_WriteICR1(TimeDelay);/*设置定时3.5char时间常数*/TIFR|=(1ICF1);/*定时记数器加，上限捕捉*/TIMSK|=(1TICIE1);/*启动定时中断*/ReciveBuff_485ReceiveNum_485+=combuf;/*存储通讯数据*/,(2).串口初始化,(3).UART0中断接收(只接收一个字节数据）,#pragmainterrupt_handlertimedelay:iv_TIMER1_CAPTvoidtimedelay(void)unsignedinti,x;unsignedintlen;unsignedintstart;unsignedintCheckSum;unsignedintbuff2;if(ReceiveNum_485=8)TIMSK/*BYTE地址*/,(D).定时3.5char中断服务，帧结束,unionIntToCharU8OTT2;U16TTO;,SendBuff_4850=Address;SendBuff_4851=0 x04;SendBuff_4852=len*2;/*字节数*/for(i=0;i(len*2);i+)x=start+i;SendBuff_4853+i=LMAG_Cachex;/*取数据*/CheckSum=CRC16(SendBuff_485,(len*2)+3);/*计算CRC*/CRC16Value.TTO=CheckSum;SendBuff_485(len*2)+3=CRC16Value.OTT1;SendBuff_485(len*2)+4=CRC16Value.OTT0;SendLen_485=(len*2)+5;/*发送字节长度*/SendNum_485=0;UCSR0A|=(1TXC0);/*设置发送完成中断*/UCSR0A|=(1UDRE0);/*设置发送寄存器空中断*/UCSR0B|=(1UDRIE0);/*允许发送寄存器空中断*/ReceiveNum_485=0;TIMSK/*关闭3.5char定时中断*/,#pragmainterrupt_handlersend0:iv_USART0_UDRE/*发送寄存器空中断服务*/voidsend0(void)Set1480Txd;/*RS485发送方向控制*/UDR0=SendBuff_485SendNum_485+;/*发送数据*/if(SendNum_485=SendLen_485)/*发送数据结束*/UCSR0B/*发送完成中断打开*/,#pragmainterrupt_handlersendover:iv_USART0_TXC/*发送完成中断服务*/voidsendover(void)UCSR0B/*改变通讯方向为接收*/,(4).中断发送数据,(F).发送结束,通讯转为接收,unsignedintCRC16(unsignedchar*puchMsg,unsignedintusDataLen)unsignedcharuchCRCHi=0 xFF;/*高CRC字节初始化*/unsignedcharuchCRCLo=0 xFF;/*低CRC字节初始化*/unsignedcharuIndex;/*CRC循环中的索引*/while(usDataLen-)uIndex=uchCRCHi*puchMsg+;/*计算CRC*/uchCRCHi=uchCRCLoauchCRCHiuIndex;uchCRCLo=auchCRCLouIndex;return(uchCRCHi8|uchCRCLo);,(5).CRC校验,3.2.5ARM下的Modbus帧间隔处理方法,NXPLPC2478ARM7TDI核(208脚),1.UART特性(16c550)16字节收发FIFO接收器FIFO触发点可为1、4、8、14字节接收到有效字符中断达到FIFO触发点中断具有3.5CHAR超时中断,2.Modbus从站帧接收方法:(1)上位机发送命令帧8byte(2)下位机接收FIFO触发点设为14(3)当下位机接收到8byte后,超过3.5char产生超时中断.(4)在超时中断处理中接收FIFO数据,并发送响应帧,3.相关UART寄存器,(1)中断使能寄存器,(2)FIFO控制寄存器,(3)中断标志寄存器,voidUart0Isr(void)Int32UUartIntId=U0IIR,LineStatus,Counter;Int8UData;Int32Un;Int32Ui;switch(UartIntId,4.中断接收程序,读FIFO数