第2章总线技术与MODBUS通信协议.ppt

1、第2章总线技术与MODBUS通信协议,2.1 概述,在计算机控制系统的设计中，除选择一种微处理器、微控制器自行设计硬件系统或选用现有的智能仪表、DCS等系统外，设计者还可以根据不同的需要，选择微型计算机系统（如PC机或工控PC机），再配以I/O扩展板卡，即可构成硬件系统。 I/O扩展板卡是插在微型计算机系统中总线上的满足控制系统需要的电路板。 工控PC机采用的结构是无源底板，在无源底板上具有多个ISA或PCI总线插槽，CPU板卡为ALL-IN-ONE结构，采用工业级电源及特制的机箱，可靠性高，可连续24小时运行，又与一般PC机兼容。,2.1.1 总线的概念及分类,采用总线结构是微型计算机系统体

2、系结构的特点之一。总线是若干连线的集合，这些连线包括数据线和地址线、控制时序和中断信号、电源线和地线以及未定义的备用线等四类。 1总线定义 总线是计算机各模块间进行信息传输的通道。它包括通道控制、仲裁方法和传输方式等内容。 2总线分类 在计算机控制系统中，一般将总线分为内部总线（又称系统总线）和外部总线两部分。,2.1.2 总线组成及总线功能,1总线组成 数据总线； 地址总线； 控制总线； 电源。 （1）数据总线 数据总线是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道。 （2）地址总线 地址总线是外部设备与主控设备之间传送地址信息的通道。 （3）控制总线 控制总线是专供各种控制信号传递的通

3、道，总线操作的各项功能都是由控制总线完成的。,（4）电源 电源+12V、-12V、+5V、-5V，是系统必备总线，-5V用得较少，+5V要求大电流供电。PCI总线还有3.3V电源信号，这表现了计算机系统向低压发展的趋向，即电源的种类在向3.3V、2.5V、1.7V方向发展。 2总线功能 总线功能是计算机总线研究的重点，计算机的A-BUS，D-BUS，C-BUS，即地址总线、数据总线和控制总线的功能如下： 数据传输功能； 中断功能； 多主设备支持功能； 错误处理功能。,2.2 内部总线 内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道，又称为系统总线，它是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。由于I

4、SA总线已淘汰，下面仅介绍比较流行的STD总线、PCI总线及LPC接口总线。 2.2.1 STD总线 STD（Standard）总线最早在1978年由Pro-Log公司和Mostek公司共同推出，1987年被批准为国际标准IEEE961。 1STD总线的特点 STD总线是56根并行计算机总线，采用小模板结构，尺寸为165114mm，插入标准的56芯插座，全部56根引脚线都有确切的定义。,STD总线的优点是：模块化的总体设计布局，允许系统设计者选取所需的功能模块解决具体问题；开放式的系统结构，使用户可根据需要选用各种功能模板，像搭积木一般任意拼装出自己所需的计算机系统；拥有丰富的I/O功能，使之

5、能广泛地应用于工业控制的各个领域；模板的小尺寸设计，消除了冲击和震动的影响等。 2STD总线的信号分配 STD总线定义了8位/16位微处理器兼容的总线标准，对模板尺寸、总线连接器和插脚分配，信号定义和电气标准等都作了规定。 其56根引线（插脚）按功能可分为五大类： 逻辑电源线6根（引线16）； 数据总线8根（引线714）； 地址总线16根（引线1530）； 控制总线22根（引线3152）； 辅助电源线4根（引线5356）。,2.2.2 PCI总线 1概述 制订PCI总线的目标是建立一种工业标准的、低成本的、允许灵活配置的、高性能局部总线结构；它既为今天的系统建立一个新的性能/价格比，又能适应将

6、来CPU的特性，能在多种平台和结构中应用。 PCI局部总线是一种高性能、32位或64位地址/数据线复用的总线。其用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器系统之间提供一种内部联接机制。 PCI局部总线已形成工业标准被公布。它的高性能总线体系结构，满足了不同系统的需求，低成本的PCI总线构成的计算机系统，达到了新的性能/价格比的水平。因此，PCI总线被应用于多种平台和体系结构中，PCI局部总线的多种应用如图2-1所示。,服务器 高档台式机 低中档台式机 便携机,3.3V 5V 自动配置 64位升级路 X86结构的 Alpha AXPTM 未来CPU 处理器系列 处理器系列,图2-1 PCI

7、局部总线应用,PCI总线规范为几种产品的生产建立了高性能局部总线标准。PCI规范提供了参数选择，以便能达多种性能/价格指标，允许在不同的系统和部件级应用。 2PCI引脚 为了管理数据和寻址、接口控制、仲裁以及系统运行，PCI接口对单个目标设备需要至少47个引脚，对主控设备最少需要49个引脚。按功能组划分的引脚如图2-3所示，左边为所需引脚，右边为可选引脚。,JTAG (IEEE 1149.1),支持 高速缓存,中断,64位 扩展,PAR64 REQ64# ACK64#,地址与 数据,CLK RST#,REQ# GNT#,PERR# SERR#,PRA,PCI COMPLIANT DEVICE,

8、AD3100,C/BE74#,C/BE30#,AD6332,接口控制,接口控制,出错报告,仲裁 （只主控用）,系统,FRAME#,TRDY#,IRDY#,STOP#,DEVSEL#,IDSEL,LOCK#,INTA#,INTB#,INTC#,INNTD#,SBO#,SDONE,TDI,TDO,TCK,TMS,TRST#,图2-3 PCI引脚,2.2.3 PC104总线,PC104是一种嵌入式总线规范，是ISA（IEEE996）标准的延伸。PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。IEEE协会将它定义为IEEE-P996.1，PC104实质上就是一种紧凑型的IEEEP996，其信号定

9、义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范完全不同，是一种优化的、小型的、堆栈式结构的嵌入式控制系统。其外形尺寸为90mm96mm，典型模块的功耗为12W，在嵌入式系统领域得到了广泛的应用。 另外，还有PC104 plus总线，它为单列三排120个总线引脚，有效信号和控制线与PCI总线完全兼容。,2.3 外部总线,外部总线主要用于计算机系统与系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。外部总线又分为两类：一类是各位之间并行传输的并行总线，如IEEE-488；另一类是各位之间串行传输的串行总线，如RS-232C、RS-485等。 2.3.1 IEEE-488总线 1IEEE-488总线概述 IEEE

10、-488是美国惠普（Hewlett-Packard）公司1970年开发的测量仪器接口总线，命名为惠普HP-IB。IEEE以惠普HP-IB为基础，制定了IEEE-488标准接口总线（又称GP-IB，General purpose Interface Bus）。 各类外设，如打印机、绘图仪、磁盘驱动器、数字转换器、电压表、电源、信号发生器等都可以使用这种总线。 IEEE-488总线上连接的设备有三种：控者、讲者和听者，它们之间用一条24线的无源电缆互连，如图2-4所示。,图2-4 IEEE_488总线的连接,表2-2 IEEE-488总线的引线分配,IEEE-488总线各引线定义如表2-2所示。,

11、2IEEE-488总线的信号分配 IEEE-488总线电缆是一条24线的无源电缆线，包括16根信号线和8根地线。其中16根信号线分成三组：8根双向数据总线、3根数据字节传送控制总线和5根接口管理总线，均为低电平有效。总线传输方式是按位并行、字节串行、三线握手、双向异步。 满足IEEE-488总线标准的接口芯片有MC68488，8291A等。 随着微处理器技术与数据通信技术的迅速发展，串行通信已越来越多地用在工业过程计算机控制系统中。相比之下，IEEE-488等并行总线的应用范围则小些。 2.3.2 串行通信基础 1. 串行异步通信数据格式 无论是RS-232还是RS-485，均可采用串行异步收

12、发数据格式。 串行异步收发（UART）通信的数据格式如图2-5所示。,2. 连接握手 连接握手过程是指发送者在发送一个数据块之前使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意，表明要发送数据，接收者则通过握手信号回应发送者，说明它已经做好了接收数据的准备。 连接握手可以通过软件，也可以通过硬件来实现。 3. 确认 接收者为表明数据已经收到而向发送者回复信息的过程称为确认。,图2-5 串行异步通信数据格式,4. 差错检验 数据通信中的接收者可以通过差错检验来判断所接收的数据是否正确。冗余数据校验、奇偶校验、校验和、循环冗余校验等都是串行通信中常用的差错检验方法。 2.3.3 RS-232C串行通信接口

13、 1. RS-232C端子 RS-232C的连接插头早期用25针EIA连接插头座，现在用9针的EIA连接插头座，其主要端子分配如表2-3所示。,表2-3 RS-232C主要端子,(1) 信号含义 从计算机到MODEM的信号 DTR数据终端（DTE）准备好：告诉MODEM计算机已接通电源，并准备好。 RTS请求发送：告诉MODEM现在要发送数据。 从MODEM到计算机的信号 DSR数据设备（DCE）准备好：告诉计算机MODEM已接通电源，并准备好了。 CTS为发送清零：告诉计算机MODEM已作好了接收数据的准备。 DCD数据信号检测：告诉计算机MODEM已与对端的MODEM建立连接了。 RI振铃

14、指示器：告诉计算机对端电话已在振铃了。 数据信号 TXD发送数据。 RXD接收数据。,(2) 电气特性 RS-232C的电气线路连接方式如图2-6所示。,图2-6 RS-232的电气连接,接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号回路共用一根地线。信号速率限于20kbps内，电缆长度限于15m之内。由于是单线，线间干扰较大。其电性能用12V标准脉冲。值得注意的是RS-232C采用负逻辑。 在数据线上：传号Mark=-5-15V，逻辑“1”电平 空号Space=+5+15V，逻辑“0”电平 在控制线上：通On=+5+15V，逻辑“0”电平 断Off=-5-15V，逻辑“1”电平 RS-232C

15、的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连必须进行电平转换。 由于RS-232C采用电平传输，在通信速率为19.2kbps时，其通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。 2. 通信接口的连接 当两台计算机经RS-232C口直接通信时，两台计算机之间的联络线可用图2-8表示。,3. RS-232C电平转换器 为了实现采用+5V供电的TTL和CMOS通信接口电路能与RS-232C标准接口连接，必须进行串行口的输入/输出信号的电平转换。 目前常用的电平转换器有MOTOROLA公司生产的MC1488驱动器、MC1489接收器，TI公司的SN75188驱动器、SN7518

16、9接收器及美国MAXIM公司生产的单一+5V电源供电、多路RS-232驱动器/接收器，如MAX232A等。,图2-8 不使用MODEM信号的RS-232C接口,2.3.4 RS-485串行通信接口,由于RS-232C通信距离较近，当传输距离较远时，可采用RS-485串行通信接口。 1. RS-485接口标准 RS-485接口采用二线差分平衡传输，其信号定义如下。 当采用+5V电源供电时： 若差分电压信号为-2500-200mV时，为逻辑“0”； 若差分电压信号为+2500+200mV时，为逻辑“1”； 若差分电压信号为-200+200mV时，为高阻状态。 RS-485的差分平衡电路如图2-11

17、所示。其一根导线上的电压是另一根导线上的电压值取反。接收器的输入电压为这两根导线电压的差值。,2. RS-485收发器 RS-485收发器种类较多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。它们的引脚是完全兼容的，其中SN65ALS1176主要用于高速应用场合，如PROFIBUS-DP现场总线等。下面仅介绍SN75LBC184。 SN75LBC184为具有瞬变电压抑制的差分收发器，SN75LBC184为商业级，其工业级产品为SN65LBC184。引脚如图2-12所示。,图2-11 差分平衡电路,引脚介绍如下： R：接收

18、端。 RE ：接收使能，低电平有效。 DE：发送使能，高电平有效。 D：发送端 A：差分正输入端。 B：差分负输入端。 VCC：+5V电源。 GND：地。,图2-12 SN75LBC184引脚图,SN75LBC184和SN65LBC184具有如下特点。 具有瞬变电压抑制能力，能防雷电和抗静电放电冲击； 限斜率驱动器，使电磁干扰减到最小，并能减少传输线终端不匹配引起的反射； 总线上可挂接64个收发器； 接收器输入端开路故障保护； 具有热关断保护； 低禁止电源电流，最大300A ； 引脚与SN75176兼容。 3. 应用电路 RS-485应用电路如图2-13所示。,在图2-13中，RS-485收发

19、器可为SN75LBC184、SN65LBC184、MAX485等。当P10为低电平时，接收数据；当P10为高电平时，发送数据。 如果采用RS-485组成总线拓扑结构的分布式控制系统，在双绞线终端应接120的终端电阻。,图2-13 RS-485应用电路,接至其它RS-485 收发器相应端,TXD,P10,RXD,4. RS-485网络互联 利用RS-485接口可以使一个或者多个信号发送器与接收器互联，在多台计算机或带微控制器的设备之间实现远距离数据通信，形成分布式测控网络系统。 图2-14中的两个120电阻是作为总线的终端电阻存在的。当终端电阻等于电缆的特征阻抗时，可以削弱甚至消除信号的反射。

20、RS-232C和RS-485之间的转换可采用相应的RS-232/RS-485转换模块。,图2-14 RS-485端口的半双工连接,2.4 MODBUS通信协议,2.4.1 概述 MODBUS协议是应用于PLC或其他控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器之间、控制器通过网络（如以太网）和其他设备之间可以实现串行通信。该协议已经成为通用工业标准。采用MODBUS协议，不同厂商生产的控制设备可以互连成工业网络，实现集中监控。 1MODBUS网络上传输 标准的MODBUS接口使用RS-232C和RS-485串行接口，它定义了连接器的引脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或通过调制解

21、调器组网。 控制器通信使用主-从技术，即仅某一设备（主设备）能主动传输（查询），其他设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出响应。典型的主设备有：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。 2其他类型网络上传输 在其他网络上，控制器使用“对等”技术通信，任何控制器,都能初始化和其他控制器的通信。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。 2.4.2 两种传输方式 控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的MODBUS网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器

22、的时候，在一个MODBUS网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。 RTU模式如图2-15所示。,地址 功能代码 数据长度 数据1 数据n CRC高字节 CRC低字节,图2-15 RTU模式,2.4.3 MODBUS消息帧 两种传输模式中（ASCII或RTU），传输设备可以将MODBUS消息转为有起点和终点的帧，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。 使用RTU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注了消息的结束，一个新的消息

23、可在此停顿后开始。 一个典型的消息帧如图2-16所示。,图2-16 RTU消息帧,3地址域 消息帧的地址域包含一个8bit字符（RTU）。允许的从设备地址是0247（十进制）。单个从设备的地址范围是1247。地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能识别。 4功能域 消息帧中的功能代码域包含一个8bit字符（RTU）。允许的代码范围是十进制的1255。 当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告知从设备需要执行哪些动作。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。 5数据域 数据域是由两位十六进制数构成的，范围为00HFFH。根

24、据网络传输模式，这可以是由一RTU字符组成。,6错误检测域 标准的MODBUS网络有两种错误检测方法，错误检测域的内容与所选的传输模式有关。 7字符的连续传输 当消息在标准的Modbus系列网络上传输时，每个字符或字节以从左到右（最低有效位最高有效位）方式发送。 2.4.4 错误检测方法 标准的MODBUS串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。 使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测整个消息的内容。 CRC域是两个字节，包含一个

25、16位的二进制数。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息,的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有错误。 CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后加入高字节。 2.4.5 MODBUS的编程方法 由RTU模式消息帧格式可以看出，在完整的一帧消息开始传输时，必须和上一帧消息之间至少有3.5个字符时间的间隔，这样接收方在接收时才能将该帧作为一个新的数据帧接收。另外，在本数据帧进行传输时，帧中传输的每个字符之间必须不能超过1.5个字符时间的间隔，否则，本帧将被视为无效帧，但接收方将继续等待和判断下一次3.5个字符的时间间隔之后出现的新一帧并进行相应的处理。 因此，在编程时首先要考虑1.5个字符时间和3.5个字符时间的设定和判断。 1字符时间的设定 在RTU模式中，1个字符时间是指按照用户设定的波特率传输一个字节所需要的时间。,例如，当传输波特率为2400bps时，1个字符时间为： 111/2400=4583s 同样，可得出1.5个字符时间和3.5个字符时间分别为： 111.5/2400=6875s 113.5/2400=16041s 为了节省定时器，在设定这两个时间段时可以使用同一个定时器，定时时间取为1.5个字符