Modbus協(xié)議分析.ppt

MODBUS協(xié)議,主要內(nèi)容,概述Modbus應(yīng)用協(xié)議規(guī)范Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn),概述,1979年Modicon公司(現(xiàn)Schneider的一部分)提出的ModbusModbus最初作為工業(yè)串行鏈路的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)1997年Schneider電氣在TCP/IP上實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議2004年Modbus作為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),Modbus技術(shù)規(guī)范組成,Modbus應(yīng)用協(xié)議規(guī)范Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南Modbus協(xié)議在TCP/IP上的實(shí)現(xiàn)指南Modbus標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范由以上三部分組成，本次我們學(xué)習(xí)前面兩個(gè)部分。,Modbus技術(shù)規(guī)范的關(guān)系,Modbus應(yīng)用協(xié)議規(guī)范,協(xié)議簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)幀格式事務(wù)處理數(shù)據(jù)模型功能碼,Modbus通信棧,Modbus應(yīng)用協(xié)議,Modbus是一種簡(jiǎn)單客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器應(yīng)用協(xié)議客戶(hù)機(jī)能夠向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求服務(wù)器分析請(qǐng)求，處理請(qǐng)求，向客戶(hù)機(jī)發(fā)送應(yīng)答,通用Modbus幀結(jié)構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU),Modbus事務(wù)處理(無(wú)差錯(cuò)),當(dāng)服務(wù)器對(duì)客戶(hù)機(jī)響應(yīng)時(shí)，它使用功能碼域來(lái)指示正常（無(wú)差錯(cuò)）響應(yīng)或者出現(xiàn)某種差錯(cuò)（稱(chēng)為異常響應(yīng)）對(duì)于一個(gè)正常響應(yīng)來(lái)說(shuō)，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼,Modbus事務(wù)處理(異常響應(yīng)),對(duì)于異常響應(yīng)，服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置邏輯1后返回異常碼指示差錯(cuò)類(lèi)型,異常碼,Modbus事務(wù)處理,ModbusPDU長(zhǎng)度,Modbus最初在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)（最大RS485ADU=256字節(jié)）限制了ModbusPDU的長(zhǎng)度。因此，對(duì)串行鏈路通信來(lái)說(shuō)，ModbusPDU=256-服務(wù)器地址（1字節(jié)）-CRC（2字節(jié)）253字節(jié)。從而：RS232/RS485ADU=253字節(jié)+服務(wù)器地址(1字節(jié))+CRC(2字節(jié))=256字節(jié)。TCPModbusADU=249字節(jié)+MBAP(7字節(jié))=256字節(jié)。,ModbusPDU結(jié)構(gòu),Modbus請(qǐng)求PDUmb_req_pdu=function_code,request_data,function_code-1字節(jié)Modbus功能碼request_data-n字節(jié)Modbus響應(yīng)PDUmb_rsp_pdu=function_code,response_data,function_code-1字節(jié)Modbus功能碼response_data-n字節(jié)Modbus異常響應(yīng)PDUmb_excep_rsp_pdu=function_code,exception_code,function_code-1字節(jié)Modbus功能碼+0 x80exception_code1字節(jié),Modbus數(shù)據(jù)模型,Modbus的數(shù)據(jù)模型是以一組具有不同特征的類(lèi)型為基礎(chǔ)建立的四個(gè)基本類(lèi)型為：,Modbus功能碼,有三類(lèi)MODBUS功能碼。它們是：公共功能碼是較好地被定義的功能碼，保證是唯一的，MODBUS組織可改變的，公開(kāi)證明的，具有可用的一致性測(cè)試，MBIETFRFC中證明的其中RFC為RequestforComments首字母的縮寫(xiě)，它是IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)推進(jìn)組織）的一個(gè)無(wú)限制分發(fā)文檔。RFC被編號(hào)并且用編號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。包含已被定義的公共指配功能碼和未來(lái)使用的未指配保留供功能碼。用戶(hù)定義功能碼有兩個(gè)用戶(hù)定義功能碼的定義范圍，即65至72和十進(jìn)制100至110。用戶(hù)沒(méi)有MODBUS組織的任何批準(zhǔn)就可以選擇和實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能碼不能保證被選功能碼的使用是唯一的。如果用戶(hù)要重新設(shè)置功能作為一個(gè)公共功能碼，那么用戶(hù)必須啟動(dòng)RFC，以便將改變引入公共分類(lèi)中，并且指配一個(gè)新的公共功能碼。保留功能碼一些公司對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品通常使用的功能碼，并且對(duì)公共使用是無(wú)效的功能碼。,功能碼分類(lèi)其中128-255為異常響應(yīng)保留。,Modbus公共功能碼的定義,常用功能碼為0 x01，0 x02、0 x03、0 x04、0 x05、0 x06、0 x0F、0 x10,Modbus功能碼應(yīng)用實(shí)例(1),讀線圈(0 x01),響應(yīng),*N寄存器的數(shù)量/8，如果余數(shù)不等于0，那么N=N+1錯(cuò)誤,讀線圈實(shí)例,這是一個(gè)請(qǐng)求離散量輸出20-38的實(shí)例。將輸出27-20的狀態(tài)表示為十六進(jìn)制字節(jié)值CD，或二進(jìn)制11001101。輸出27是這個(gè)字節(jié)的MSB，輸出20是LSB。通常，將一個(gè)字節(jié)內(nèi)的比特表示為MSB位于左側(cè)，LSB位于右側(cè)。第一字節(jié)的輸出從左至右為27至20。下一個(gè)字節(jié)的輸出從左到右為35至28。當(dāng)串行發(fā)射比特時(shí)，從LSB向MSB傳輸：20.27、28.35等等。在最后的數(shù)據(jù)字節(jié)中，將輸出狀態(tài)38-36表示為十六進(jìn)制字節(jié)值05，或二進(jìn)制00000101。輸出38是左側(cè)第六個(gè)比特位置，輸出36是這個(gè)字節(jié)的LSB。用零填充五個(gè)剩余高位比特。,Modbus功能碼應(yīng)用實(shí)例(2),讀離散量輸入（0 x02）,讀離散量輸入實(shí)例,這是一個(gè)請(qǐng)求讀取離散量輸入197-128的實(shí)例。將離散量輸入狀態(tài)204-197表示為十六進(jìn)制字節(jié)值A(chǔ)C，或二進(jìn)制10101100。輸入204是這個(gè)字節(jié)的MSB，輸入197是這個(gè)字節(jié)的LSB。將離散量輸入狀態(tài)218-213表示為十六進(jìn)制字節(jié)值35，或二進(jìn)制00110101。輸入218位于左側(cè)第3比特，輸入213是LSB這與讀線圈功能是相似的，只是讀取的數(shù)據(jù)類(lèi)型不同。,Modbus功能碼應(yīng)用實(shí)例(3),讀保存寄存器（0 x03）,讀保持寄存器實(shí)例,Modbus功能碼應(yīng)用實(shí)例(4),讀輸入寄存器（0 x04）,讀輸入寄存器實(shí)例,這與讀保存寄存器功能相似，只是數(shù)據(jù)類(lèi)型不同。,Modbus功能碼應(yīng)用實(shí)例(5),寫(xiě)多個(gè)線圈（0 x0F）其中1代表邏輯ON，0代表邏輯OFF,寫(xiě)多個(gè)線圈實(shí)例,Modbus功能碼應(yīng)用實(shí)例(6),寫(xiě)多個(gè)寄存器(0 x10),*N寄存器數(shù)量響應(yīng),錯(cuò)誤,寫(xiě)多個(gè)保持寄存器實(shí)例,其他功能碼與以上類(lèi)似，如有需要詳細(xì)了解，可閱讀MODBUS協(xié)議。,Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn),主站/從站協(xié)議原理Modbus串行傳輸模式RTU模式Modbus串行傳輸模式ASCII模式,Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)模型,Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主/從協(xié)議。該協(xié)議位于OSI模型的第二層。,位于OSI模型第7層的Modbus應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，供了連接于總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器通信。在Modbus串行鏈路上客戶(hù)機(jī)的功能由主節(jié)點(diǎn)提供而服務(wù)器功能由子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。,Modbus主站/從站協(xié)議原理,Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主-從協(xié)議。在同一時(shí)刻，只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)連接于總線，一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)(最大編號(hào)為247)連接于同一個(gè)串行總線。Modbus通信總是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起。子節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，從不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)之間從不會(huì)互相通信。主節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只會(huì)發(fā)起一個(gè)Modbus事務(wù)處理。,Modbus通信模式,主節(jié)點(diǎn)以?xún)煞N模式對(duì)子節(jié)點(diǎn)發(fā)出Modbus請(qǐng)求:在單播模式，主節(jié)點(diǎn)以特定地址訪問(wèn)某個(gè)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)接到并處理完請(qǐng)求后，子節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)報(bào)文(一個(gè)應(yīng)答)。在這種模式，一個(gè)Modbus事務(wù)處理包含2個(gè)報(bào)文：一個(gè)來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求，一個(gè)來(lái)自子節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)必須有唯一的地址(1到247)，這樣才能區(qū)別于其它節(jié)點(diǎn)被獨(dú)立的尋址。在廣播模式，主節(jié)點(diǎn)向所有的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求。對(duì)于主節(jié)點(diǎn)廣播的請(qǐng)求沒(méi)有應(yīng)答返回。廣播請(qǐng)求一般用于寫(xiě)命令。所有設(shè)備必須接受廣播模式的寫(xiě)功能。地址0是專(zhuān)門(mén)用于表示廣播數(shù)據(jù)的。,串行鏈路上的Modbus幀結(jié)構(gòu),地址域只含有子節(jié)點(diǎn)地址，該地址必須在Modbus串行總線上唯一Modbus主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有地址功能碼指明服務(wù)器要執(zhí)行的動(dòng)作，遵從Modbus協(xié)議規(guī)范錯(cuò)誤檢驗(yàn)域是對(duì)報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行冗余校驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)不同的傳輸模式(RTUorASCII)使用兩種不同的計(jì)算方法，CRC或者LRC,串行傳輸模式-RTU模式,當(dāng)設(shè)備使用RTU(RemoteTerminalUnit)模式在Modbus串行鏈路通信，報(bào)文中每個(gè)8位字節(jié)含有兩個(gè)4位十六進(jìn)制字符。這種模式的主要優(yōu)點(diǎn)是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。每個(gè)報(bào)文必須以連續(xù)的字符流傳送。RTU模式每個(gè)字節(jié)(11位)的格式為:編碼系統(tǒng):8位二進(jìn)制報(bào)文中每個(gè)8位字節(jié)含有兩個(gè)4位十六進(jìn)制字符(09，AF)BitsperByte:1起始位8數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位1位作為奇偶校驗(yàn)1停止位奇偶校驗(yàn)中，偶校驗(yàn)是默認(rèn)的，其它模式(奇校驗(yàn)，無(wú)校驗(yàn))也可以使用，在無(wú)校驗(yàn)的模式下，有兩個(gè)停止位,串行傳輸模式-RTU模式,在RTU模式，報(bào)文幀由時(shí)長(zhǎng)至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分整個(gè)報(bào)文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送。如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于1.5個(gè)字符時(shí)間，則報(bào)文幀被認(rèn)為不完整應(yīng)該被接收節(jié)點(diǎn)丟棄,串行傳輸模式-RTU模式,RTU接收驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)，由于t1.5和t3.5的定時(shí)，隱含著大量的對(duì)中斷的管理。在高通信速率下，這導(dǎo)致CPU負(fù)擔(dān)加重。因此，在通信速率等于或低于19200Bps時(shí)，這兩個(gè)定時(shí)必須嚴(yán)格遵守；對(duì)于波特率大于19200Bps的情形，應(yīng)使用2個(gè)定時(shí)的固定值：建議的字符間超時(shí)時(shí)間(t1.5)為750s，幀間的超時(shí)時(shí)間(t1.5)為1.750ms。,串行傳輸模式-RTU模式,在RTU模式包含一個(gè)對(duì)全部報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行的，基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC-CyclicalRedundancyChecking)算法的錯(cuò)誤檢驗(yàn)域。CRC域檢驗(yàn)整個(gè)報(bào)文的內(nèi)容。不管報(bào)文有無(wú)奇偶校驗(yàn)，均執(zhí)行此檢驗(yàn)。CRC包含由兩個(gè)8位字節(jié)組成的一個(gè)16位值。CRC為常用的CRC-16校驗(yàn)方式，計(jì)算后，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié),串行傳輸模式-ASCII模式,在ASCII模式中，報(bào)文中的每個(gè)8位子節(jié)以?xún)蓚€(gè)ASCII字符發(fā)送例:子節(jié)0X5B會(huì)被編碼為兩個(gè)字符:0 x35和0 x42(ASCII編碼0 x35=5，0 x42=B)由于一個(gè)子節(jié)需要兩個(gè)字符，此模式比RTU效率低ASCII模式每個(gè)字節(jié)(10位)的格式為:編碼系統(tǒng):十六進(jìn)制，ASCII字符0-9，A-F。報(bào)文中每個(gè)ASCII字符含有1個(gè)十六進(jìn)制字符BitsperByte:1起始位7數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位1位作為奇偶校驗(yàn)1停止位奇偶校驗(yàn)中，偶校驗(yàn)是默認(rèn)的，其它模式(奇校驗(yàn)，無(wú)校驗(yàn))也可以使用，在無(wú)校驗(yàn)的模式下，有兩個(gè)停止位,串行傳輸模式-ASCII模式,ASCII模式下的報(bào)文幀格式如下：報(bào)文必須以“:”開(kāi)始報(bào)文必須以“LF（0 x0D）CR(0 x0A)”結(jié)束數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制ASCII碼值表示使用LRC進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)每個(gè)字符子節(jié)需要用兩個(gè)字符編碼。因此，為了確保ASCII模式和RTU模式在Modbus應(yīng)用級(jí)兼容，ASCII數(shù)據(jù)域最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為(2x252)是RTU數(shù)據(jù)域(252)的兩