【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)計(jì)（論文） 4 在其它類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸 在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對(duì)等技術(shù)通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨(dú)的通信過(guò)程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個(gè)內(nèi)部通道可允許同時(shí)發(fā)生的傳輸進(jìn)程。 在消息位， Modbus 協(xié)議仍提供了主 — 從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對(duì)等”。如果以控制器發(fā)送消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。 同樣，當(dāng)控制器接收到消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。 查詢 — 回應(yīng)周期 圖 主 — 從查詢回應(yīng)周期表 1 查詢 查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼 03 是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告知從設(shè)備的信息：從何寄存器開(kāi)始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息的內(nèi)容是否正確的方法。 2 回應(yīng) 如果從設(shè)備產(chǎn)生一種正常的回應(yīng)， 在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。 接口方式 RS48 422 或 RS232 接口：異步，半雙工。默認(rèn)數(shù)據(jù)格式： 8 位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)、一位停止位， 19200bps， RTU。可設(shè)置為 38400 波特率、 19200bps、 9600bps、 4800bps、1200bps；最高可設(shè)置波特率位 38400bps。 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 數(shù)據(jù)域：支持 2?255 個(gè)字節(jié)（ ASCII 模式）、 252 字節(jié)（ RTU 模式） GCM 系列 PLC有兩個(gè)通信口，其通信口 0（也作為編程口）支持 Modbus 從站，通信口 1 支持 Modbus主站和從站（可有后臺(tái)軟件設(shè)置）。 RS232 串行接口標(biāo)準(zhǔn) 目前 RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。 RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊 圖 DB25 連接器引腳 收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，如從 DTE 設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25 連接器時(shí)是 2 腳相對(duì) 7 腳（信號(hào)地）的電平， DB25 各引腳定義參見(jiàn)圖 。典型的 RS232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5～ +15V，負(fù)電平在 5～ 15V 電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回 TTL 電平。接收 器典型的工作電平在 +3～+12V 與 3～ 12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15 米，最高速率為20kb/s。 RS232 是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 3～ 7kΩ。所以 RS232 適合本地設(shè)備之間的通信。其有關(guān)電氣參數(shù)參見(jiàn)表 11。 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 表 11 RS232 電氣參數(shù) 規(guī)定 RS232 RS422 R485 工作方式 單端 差分 差分 節(jié)點(diǎn)數(shù) 1 收、 1 發(fā) 1 發(fā) 10 收 1 發(fā) 32 收 最大傳 輸電纜長(zhǎng)度 50 英尺 400 英尺 400 英尺 最大傳輸速率 20Kb/S 10Mb/s 10Mb/s 最大驅(qū)動(dòng)輸出電壓 +/25V ～+6V 7V～ +12V 驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)電平 (負(fù)載最小值 ) 負(fù)載 +/5V～ +/15V +/ +/ 驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)電平 (空載最大值 ) 空載 +/25V +/6V +/6V 驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗 (Ω) 3K～ 7K 100 54 擺率 (最大值 ) 30V/μs N/A N/A 接收器輸入電壓范圍 +/15V 10V～+10V 7V～ +12V 接收器輸入門(mén)限 +/3V +/200mV +/200mV 接收器輸入電阻 (Ω) 3K～ 7K 4K(最小 ) ≥12K 驅(qū)動(dòng)器共模電壓 3V～ +3V 1V～ +3V 接收器共模電壓 7V～ +7V 7V～ +12V RS422 與 RS485 串行接口標(biāo)準(zhǔn) 1．平衡傳輸 RS42 RS485 與 RS232 不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為 A，另一線定義為 B，如圖 。 圖 RS422/485 信號(hào)傳輸 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器 A、 B 之間的正電平在 +2～ +6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在 2～ 6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地 C，在 RS485 中還有一 “ 使能 ”端，而在 RS422 中這是可用可不用的。 “ 使能 ” 端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng) “ 使能 ” 端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作 “ 第三態(tài) ” ，即它是有別于邏輯 “ 1” 與 “ 0” 的第三態(tài)。 接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線將 AA 與 BB 對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端 AB 之間有大于 +200mV 的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于 200mV 時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在 200mV 至 6V 之間。參見(jiàn)圖。 圖 傳輸電壓范圍 2． RS422 電氣規(guī)定 RS422 標(biāo)準(zhǔn)全稱是 “ 平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性 ” ，它定義了接口電路的特性。圖 是典型的 RS422 四線接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共 5 根線。圖 是其 DB9 連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比 RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（ Master），其余為從設(shè)備（ Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是 104k+100Ω（終接電阻）。 RS422 四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（ XON/XOFF 握手）或硬件方式（一對(duì)單獨(dú)的雙絞線）。 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 DB9 連接器引腳圖 圖 RS422 四線接口圖 RS422 的最大傳輸距離為 4000 英尺（約 1219 米），最大傳輸速率為 10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為 1Mb/s。 RS422 需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一 般在 300 米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。 RS422 有關(guān)電氣參數(shù)見(jiàn)表 11。 3． RS485 電氣規(guī)定 由于 RS485是從 RS422基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，所以 RS485許多電氣規(guī)定與 RS422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。 RS485 可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，參見(jiàn)圖 。 而采用四線連接時(shí)，與 RS422 一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主（ Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比 RS422 有改進(jìn)， 無(wú)論四線還 是二線連接方式總線上可多接到 32 個(gè)設(shè)備。參見(jiàn)圖 。 圖 RS485 二線制傳輸 圖 RS485 四線制傳輸 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 RS485 與 RS422 的不同還在于其共模輸出電壓是不同的， RS485 是 7V 至 +12V之間，而 RS422 在 7V 至 +7V 之間， RS485 接收器最小輸入阻抗為 12k 劍 鳵 S422是 4k 健 ； 舊峽梢運(yùn)礡 RS485 滿足所有 RS422 的規(guī)范，所以 RS485 的驅(qū)動(dòng)器可以用在 RS422 網(wǎng)絡(luò)中 。 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第二章 Modbus 通訊協(xié)議的格式 控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ ASCII 或 RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè) Modbus 網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。 ASCII 模式與 RTU 模式 ASCII 模式 ASCII 模式地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 .. 數(shù)據(jù) n LRC 高字節(jié) LRC低字節(jié) 回車 換行 RTU模式 RTU 模式地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 ... 數(shù)據(jù) n CRC 高字節(jié) CRC 低字節(jié) 所選的 ASCII 或 RTU 方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消 息域和如何解碼。 Modbus 消息幀 在兩種傳輸模式中（ ASCII 或 RTU），傳輸設(shè)備以將 Modbus 消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開(kāi)始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時(shí)信息已完成。部分的消息也能偵測(cè)到并且錯(cuò)誤能設(shè)置為返回結(jié)果。 ASCII 幀 ASCII 幀使用 ASCII 模式，消息以冒號(hào)（ :）字符（ ASCII 碼 3AH）開(kāi)始，以回車換行符結(jié)束（ ASCII 碼 0DH,0AH）。其它域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測(cè) :字符，當(dāng)有一個(gè)冒號(hào)接收到時(shí)，每個(gè)設(shè)備都解碼下個(gè)域（地址域）來(lái)判斷是否發(fā)給自己的。消息中字符間發(fā)送的時(shí)間間隔最長(zhǎng)不能超過(guò) 1 秒，否則接收的設(shè)備將認(rèn)為傳輸錯(cuò)誤。一個(gè)典型消息幀如下所示： 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 表 21 ASCII 典型幀 起始位 設(shè)備地址 功能代碼 數(shù)據(jù) LRC 校驗(yàn) 結(jié)束符 1 個(gè)字符 2 個(gè)字符 2 個(gè)字符 n 個(gè)字符 2 個(gè)字符 2 個(gè)字符 RTU幀 RTU 幀使用 RTU 模式，消息發(fā)送至少要以 個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時(shí)間，這是最容 易實(shí)現(xiàn)的。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的 0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少 個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過(guò) ，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于 個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開(kāi) 始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮?CRC 域的值不可能是正確的。 典型的消息幀如下所示： 表 22 RTU 典型 幀 起始位 設(shè)備地 址 功能代 碼 數(shù)據(jù) CRC 校驗(yàn) 結(jié)束符 T1T2T3T4 8Bit 8Bit N 個(gè) 8Bit 16Bit T1T2T3T4 地址域 消息幀的地址域包含兩個(gè)字符（ ASCII）或 8Bit（ RTU）?？赡艿膹脑O(shè)備地址是0...247 (十進(jìn)制 )。單個(gè)設(shè)備的地址范圍是 1...247。主設(shè)備通過(guò)將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中 的地址域來(lái)選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備做出回應(yīng)。地址 0 是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。當(dāng) Modbus 協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。 如何處理功能域 消息幀中的功能代碼域包含了兩個(gè)字符（ ASCII）或 8Bits（ RTU）?？赡艿拇a范圍是十進(jìn)制的 1...255。當(dāng)然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應(yīng)用于某種控制器，還有些保留以備后用。當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè) 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 備需要執(zhí) 行哪些行為。例如去讀取輸入的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗(yàn)在從設(shè)備中的程序等。當(dāng)從設(shè)備回應(yīng)時(shí)，它使用功能代碼域來(lái)指示是正?；貞?yīng) (無(wú)誤 )還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生（稱作異議回應(yīng)）。對(duì)正?；貞?yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng)，從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼，但最重要的位置為邏輯 1。例如：一從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼 ： 0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制 03H） 對(duì)正?；貞?yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)同樣的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng)，它返回： 1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制 83H）除功能代碼因異議錯(cuò)誤作了修改外，從設(shè)備將一獨(dú)特的代碼放到回應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯(cuò)誤。主設(shè)備應(yīng)用程序得到異議的回應(yīng)后，典型的處理過(guò)程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設(shè)備的消息并報(bào)告給操作員。 數(shù)據(jù)域 數(shù)據(jù)域是由兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)集合構(gòu)成的，范圍 00...FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，這可以是由一對(duì) ASCII 字符組成或由一 RTU 字符組成。 從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的所為。這包括了象不 連續(xù)的寄存器地址，要處理項(xiàng)的數(shù)目，域中實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼 03），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。如果主設(shè)備寫(xiě)一組從設(shè)備的寄存器（功能代碼 10 十六進(jìn)制），數(shù)據(jù)域則指明了要寫(xiě)的起始寄存器以及要寫(xiě)的寄存器數(shù)量，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，要寫(xiě)入寄存器的數(shù)據(jù)。 如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，從從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來(lái)判斷采取下一步行動(dòng)。 在某種消息中數(shù)據(jù)域可以是不存在的（ 0 長(zhǎng)度）。例如，主設(shè)備要求從設(shè)備回 應(yīng)通信事件記錄（功能代碼 0B 十六進(jìn)制），從設(shè)備不需任何附加的信息 。 錯(cuò)誤檢測(cè)域 標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 網(wǎng)絡(luò)有兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容視所選的檢測(cè)方法而定。 ASCII 當(dāng)選用 ASCII 模式作字符幀，錯(cuò)誤檢測(cè)域包含兩個(gè) ASCII 字符。這是使用 LRC（縱向冗長(zhǎng)檢測(cè)）方法對(duì)消息內(nèi)容計(jì)算得出的，不包括開(kāi)始的冒號(hào)符及回車換行符。 LRC 字符附加在回車換行符前面。 RTU 當(dāng)選用 RTU 模式作字符幀，錯(cuò)誤檢測(cè)域包含一 16Bits 值 (用兩個(gè) 8 位的字符來(lái)實(shí)現(xiàn) )。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容是通過(guò)對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢 測(cè)方法得出的。 CRC 域附加在消息的最后，添加時(shí)先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故 CRC 的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個(gè)字節(jié)。 字符的連續(xù)傳輸 當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，每個(gè)字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位 ...最高有效位 。 使用 ASCII 字符幀時(shí)，位的序列是： 東北石油大學(xué)秦皇島分校專 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 表 23 位順序（ ASCII） 有奇偶校驗(yàn) 啟始位 1 2 3 4 5 6 7 奇偶位 停止位 無(wú)奇偶校驗(yàn) 啟始位 1 2 3 4 5 6 7 停止位