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Modbus协议简介

由于工作的关系,经常需要使用到Modbus协议,现对Modbus协议涉及的一些知识做一个整理。

Modbus是一种串行通信协议,是Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)于1979年,为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表的。Modbus是工业领域通信协议的业界标准(De facto),并且现在是工业电子设备之间相当普遍的连接方式。

Modbus

Modbus之所以被如此广泛的使用主要原因有:

(1)标准、开放,用户可以免费、放心地使用Modbus协议,不需要交纳许可证费,也不会侵犯知识产权。目前,支持Modbus的厂家超过400家,支持Modbus的产品超过600种。
(2)Modbus可以支持多种电气接口,如RS-232、RS-485等,还可以在各种介质上传送,如双绞线、光纤、无线等。
(3)Modbus的帧格式简单、紧凑,通俗易懂。用户使用容易,厂商开发简单。

Modbus允许多个 (大约240个) 设备连接在同一个网络上进行通信,比如现场的温度、压力、载荷一类的传感器可以非常方便的通过Modbus将数据传输到工业控制计算机上,实现对现场各个参数的监控。

协议版本:

Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行,也就是我们经常说到的RS485.

对于串行连接,存在两个变种,Modbus RTU和Modbus ASCII,它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的,采用二进制表示数据的方式,Modbus ASCII采用一种人类可读的,冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通讯(serial communication)方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和,而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU的节点无法直接和设置为ASCII的节点通信,反之亦然。

对于通过TCP/IP(例如以太网)的连接,存在多个Modbus/TCP变种,这种方式无需校验和的计算。

对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的,只有封装方式是不同的,也就是从应用层看,这三种模式的表现是一致的。

另外,Modbus还有有一个扩展版本-Modbus Plus(Modbus+或者MB+),不过此协议是Modicon专有的,和普通Modbus不同。它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌环。它使用1Mbit/s的双绞线,并且每个节点都有转换隔离装置,是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口,通常是支持ISA(SA85),PCI或者PCMCIA总线的板卡。

通信和设备:

Modbus协议是一个master/slave(主/从)架构的协议。有一个节点是master节点,其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave 节点。每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中,只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令(在以太网上,任何一个设备都能发送一 个Modbus命令,但是通常也只有一个主节点设备启动指令)。

一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令,但只有指定位置的设备会执行及回应指令(地址0例外,指定地 址0的指令是广播指令,所有收到指令的设备都会运行,不过不回应指令)。所有的Modbus命令包含了检查码,以确定到达的命令没有被破坏。基本的 ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值,控制或者读取一个I/O端口,以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。

有许多modems和网关支持Modbus协议,因为Modbus协议很简单而且容易复制。它们当中一些为这个协议特别设计的。有使用有线、无线通信甚至短消息和GPRS的不同实现。不过设计者需要克服一些包括高延迟和时序的问题。

相关限制:

Modbus是在1970年末为可编程逻辑控制器通信开发的,这些有限的数据类型在那个时代是可以被PLC理解的,大型二进制对象数据是不支持的。

对节点而言,没有一个标准的方法找到数据对象的描述信息,举个例子,确定一个寄存器数据是否表示一个介于30-175度之间的温度。

由于Modbus是一个主/从协议,没有办法要求设备“报告异常”(构建在以太网的TCP/IP协议之上,被称为open-mbus除外)- 主节点必须循环的询问每个节点设备,并查找数据中的变化。在带宽可能比较宝贵的应用中,这种方式在应用中消耗带宽和网络时间,例如在低速率的无线链路上。

Modbus在一个数据链路上只能处理247个地址,这种情况限制了可以连接到主控站点的设备数量(再一次指出以太网TCP/IP除外)

Modbus传输在远端通讯设备之间缓冲数据的方式进行,有对通信一定是连续的限制,避免了传输中的缓冲区漏洞的问题

Modbus协议自身提供针对未经授权的命令或截取数据没有安全性。

功能码

功能码
名称
作用
01
读取线圈状态
取得一组逻辑线圈的当前状态(ON/OFF)
02
读取输入状态
取得一组开关输入的当前状态(ON/OFF)
03
读取保持寄存器
在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值
04
读取输入寄存器
在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值
05
强置单线圈
强置一个逻辑线圈的通断状态
06
预置单寄存器
把具体二进值装入一个保持寄存器
07
读取异常状态
取得8个内部线圈的通断状态,这8个线圈的地址由控制器决定,用户逻辑可以将这些线圈定义,以说明从机状态,短报文适宜于迅速读取状态
08
回送诊断校验
把诊断校验报文送从机,以对通信处理进行评鉴
09
编程(只用于484)
使主机模拟编程器作用,修改PC从机逻辑
10
控询(只用于484)
可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信,探询该从机是否已完成其操作任务,仅在含有功能码9的报文发送后,本功能码才发送
11
读取事件计数
可使主机发出单询问,并随即判定操作是否成功,尤其是该命令或其他应答产生通信错误时
12
读取通信事件记录
可是主机检索每台从机的ModBus事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完成,记录会给出有关错误
13
编程(184/384 484 584)
可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑
14
探询(184/384 484 584)
可使主机与正在执行任务的从机通信,定期控询该从机是否已完成其程序操作,仅在含有功能13的报文发送后,本功能码才得发送
15
强置多线圈
强置一串连续逻辑线圈的通断
16
预置多寄存器
把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器
17
报告从机标识
可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态
18
(884和MICRO 84)
可使主机模拟编程功能,修改PC状态逻辑
19
重置通信链路
发生非可修改错误后,是从机复位于已知状态,可重置顺序字节
20
读取通用参数(584L)
显示扩展存储器文件中的数据信息
21
写入通用参数(584L)
把通用参数写入扩展存储文件,或修改之
22~64
保留作扩展功能备用
65~72
保留以备用户功能所用
留作用户功能的扩展编码
73~119
非法功能
120~127
保留
留作内部作用
128~255
保留
用于异常应答

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