【正文】 第一次握手：建立連接時(shí)，客戶端發(fā)送syn包(syn=j)到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)；SYN即同步序列編號(hào)(Synchronize Sequence Numbers)；第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=j+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)；第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(a。TCP總是用來(lái)發(fā)送大批量的數(shù)據(jù)。所謂的“三次握手”即對(duì)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量是怎樣跟蹤進(jìn)行協(xié)商使數(shù)據(jù)段的發(fā)送和接收同步，根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)量而確定的數(shù)據(jù)確認(rèn)數(shù)及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收完畢后何時(shí)撤消聯(lián)系，并建立虛連接。圖217 MICROCHIP TCP/IP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與 TCP/IP 參考模型的比較Fig 217 MICROCHIP TCP/IP protocol stack structure and TCP/IP reference model packets在本設(shè)計(jì)中，傳輸層采用TCP協(xié)議,它提供面向連接、可靠的字節(jié)流服務(wù)。Microchip的TCP/IP協(xié)議棧使用了協(xié)同式多任務(wù)處理技術(shù)，在協(xié)同式多任務(wù)處理系統(tǒng)中，同時(shí)存在多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)在執(zhí)行自己的作業(yè)后交回控制權(quán)，這樣下一個(gè)任務(wù)才能夠執(zhí)行作業(yè)。MODBUS 客戶機(jī)在請(qǐng)求中設(shè)置這個(gè)域，在響應(yīng)中服務(wù)器必須利用相同的值返回這個(gè)域。 長(zhǎng)度：長(zhǎng)度域是下一個(gè)域的字節(jié)數(shù)，包括單元標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)域。協(xié)議標(biāo)識(shí)符：用于系統(tǒng)內(nèi)的多路復(fù)用。MBAP 報(bào)文頭包括下列域：表23 MBAP 報(bào)文頭Table 23 MBAP packets header報(bào)文頭為 7 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)： 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符：用于事務(wù)處理配對(duì)。當(dāng)在 TCP 上攜帶 MODBUS 時(shí)，即使將報(bào)文分成多個(gè)信息包來(lái)傳輸，但通過在 MBAP 報(bào)文頭上攜帶附加長(zhǎng)度信息，以便接收者能識(shí)別報(bào)文邊界。對(duì)于 MODBUS PDU有固定長(zhǎng)度的功能碼來(lái)說，僅功能碼就足夠了。這個(gè)單元標(biāo)識(shí)符用于設(shè)備的通信，這些設(shè)備使用單個(gè) IP 地址支持多個(gè)獨(dú)立MODBUS 終端單元，例如：網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)。將這種報(bào)文頭稱為 MBAP 報(bào)文頭（MODBUS 協(xié)議報(bào)文頭）。這個(gè)功能碼向服務(wù)器指示執(zhí)行執(zhí)行哪種操作。MODBUS TCP/IP 的通信系統(tǒng)可以包括不同類型的設(shè)備：連接至 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的 MODBUS TCP/IP 客戶機(jī)和服務(wù)器設(shè)備；互連設(shè)備，例如：在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)和串行鏈路子網(wǎng)之間互連的網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)，聯(lián)接，該子網(wǎng)允許將 MODBUS 串行鏈路客戶機(jī)和服務(wù)器終端設(shè)備連接起來(lái)。s，I/O 模塊，以及連接其它簡(jiǎn)單域總線或I/O模塊的網(wǎng)關(guān)服務(wù)的。它覆蓋了使用TCP/IP 協(xié)議的“Intranet”和“Internet”環(huán)境中MODBUS報(bào)文的用途。當(dāng) CRC 附加在報(bào)文之后時(shí)，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。完成最后一次（第8 次）移位及相關(guān)操作后，下一個(gè)8位字節(jié)與寄存器的當(dāng)前值異或，然后又同上面描述過的一樣重復(fù)8 次。然后提取并檢查L(zhǎng)SB：如果LSB為1，則寄存器中的值與一個(gè)固定的預(yù)置值異或；如果LSB為0，則不進(jìn)行異或操作。CRC 的生成過程中，每個(gè)8位字符與寄存器中的值異或。然后將報(bào)文中的連續(xù)的8位子節(jié)對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。如果兩個(gè)值不相等，則為錯(cuò)誤。附加在報(bào)文后面的CRC 的值由發(fā)送設(shè)備計(jì)算。計(jì)算后，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。CRC 包含由兩個(gè)8 位字節(jié)組成的一個(gè)16 位值。CRC 域檢驗(yàn)整個(gè)報(bào)文的內(nèi)容。因此，在通信速率等于或低于19200 Bps 時(shí)，這兩個(gè)定時(shí)必須嚴(yán)格遵守；對(duì)于波特率大于19200 Bps 的情形，應(yīng)該使用2 個(gè)定時(shí)的固定值：建議的字符間超時(shí)時(shí)間()為750μs，幀間的超時(shí)時(shí)間() 。圖213 MODBUS幀內(nèi)間隔Fig213 MODBUS frame intervalRTU 接收驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)， 和 的定時(shí)，隱含著大量的對(duì)中斷的管理。圖212 RTU 報(bào)文幀F(xiàn)ig 212 RTU frame整個(gè)報(bào)文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送。在 RTU 模式， 個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分。這使設(shè)備可以在報(bào)文的開始接收新幀，并且知道何時(shí)報(bào)文結(jié)束。MODBUS RTU 幀最大為256 字節(jié)。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。根據(jù)不同的傳輸模式(RTU or ASCII)使用兩種不同的計(jì)算方法。功能碼后面可跟有表示含有請(qǐng)求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)返回應(yīng)答時(shí)，它將自己的地址放到應(yīng)答報(bào)文的地址域以讓主節(jié)點(diǎn)知道哪個(gè)子節(jié)點(diǎn)在回答。每個(gè)子設(shè)備被賦予1247范圍中的地址。圖211 串行鏈路上的MODBUS 幀F(xiàn)ig 211 MODBUS frames on the serial link在MODBUS 串行鏈路，地址域只含有子節(jié)點(diǎn)地址。 MODBUS幀描述MODBUS 應(yīng)用協(xié)議定義了簡(jiǎn)單的獨(dú)立于其下面通信層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU Protocol Data Unit)：圖 210 MODBUS 協(xié)議數(shù)據(jù)單元Fig 210 MODBUS protocol data unit在不同總線或網(wǎng)絡(luò)的MODBUS 協(xié)議映射在協(xié)議數(shù)據(jù)單元之外引入了一些附加的域。MODBUS 主節(jié)點(diǎn)沒有地址，只有子節(jié)點(diǎn)必須有一個(gè)地址。01～247248～255廣播地址從站單個(gè)地址保留地址 0 保留為廣播地址。地址0 是專門用于表示廣播數(shù)據(jù)的。廣播請(qǐng)求一般用于寫命令。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。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。主節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只會(huì)發(fā)起1一個(gè)MODBUS 事務(wù)處理。子節(jié)點(diǎn)在沒有收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，從不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。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。在MODBUS 串行鏈路上客戶機(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)。下圖給出了MODBUS 串行通信棧對(duì)應(yīng)于7 層OSI模型的一般關(guān)系。作為附加的選項(xiàng)，也可以實(shí)現(xiàn)RS485 四線制接口。在物理層，MODBUS 串行鏈路系統(tǒng)可以使用不同的物理接口(RS48RS232)。一個(gè)主從類型的系統(tǒng)有一個(gè)向某個(gè)“子”節(jié)點(diǎn)發(fā)出顯式命令并處理響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)(主節(jié)點(diǎn))。表22 公共功能碼定義Table 22 Public Function Code Definition MODBUS協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn) 協(xié)議概述MODBUS串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主/從協(xié)議。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。用戶沒有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。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，公開證明的，具有可用的一致性測(cè)試，MB IETF RFC 中證明的，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。根據(jù)處理結(jié)果，可以建立兩種類型響應(yīng)：① 一個(gè)正MODBUS響應(yīng)②響應(yīng)功能碼= 請(qǐng)求功能碼③一個(gè)MODBUS 異常響應(yīng)④ 用來(lái)為客戶機(jī)提供處理過程中與被發(fā)現(xiàn)的差錯(cuò)相關(guān)的信息⑤響應(yīng)功能碼= 請(qǐng)求功能碼+ 0x80⑥提供一個(gè)異常碼來(lái)指示差錯(cuò)原因。 MODBUS 事務(wù)處理的定義 下列狀態(tài)圖描述了在服務(wù)器側(cè)MODBUS 事務(wù)處理的一般處理過程。 MODBUS數(shù)據(jù)模型MODBUS 以一系列具有不同特征表格上的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)。圖25 MODBUS事務(wù)處理（異常響應(yīng)）Fig 25 MODBUS transaction (exception response) 數(shù)據(jù)編碼MODBUS 使用最高有效字節(jié)在低地址存儲(chǔ)的方式表示地址和數(shù)據(jù)項(xiàng)。對(duì)于一個(gè)正常響應(yīng)來(lái)說，服務(wù)器僅對(duì)原始功能碼響應(yīng)。當(dāng)服務(wù)器對(duì)客戶機(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)（稱為異常響應(yīng)）。如果在一個(gè)正確接收的MODBUS ADU 中，不出現(xiàn)與請(qǐng)求MODBUS 功能有關(guān)的差錯(cuò)，那么服務(wù)器至客戶機(jī)的響應(yīng)數(shù)據(jù)域包括請(qǐng)求數(shù)據(jù)。在某種請(qǐng)求中，數(shù)據(jù)域可以是不存在的（0長(zhǎng)度），在此情況下服務(wù)器不需要任何附加信息。從客戶機(jī)向服務(wù)器設(shè)備發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)域包括附加信息，服務(wù)器使用這個(gè)信息執(zhí)行功能碼定義的操作。當(dāng)從客戶機(jī)向服務(wù)器設(shè)備發(fā)送報(bào)文時(shí)，功能碼域通知服務(wù)器執(zhí)行哪種操作。用一個(gè)字節(jié)編碼MODBUS數(shù)據(jù)單元的功能碼域。功能碼向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作。protocol stack 協(xié)議描述MODBUS 協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。目前，使用下列情況實(shí)現(xiàn) MODBUS：以太網(wǎng)上的 TCP/IP，物理媒介一般為雙絞線；各種媒體（有線：EIA/TIA232E、EIA42EIA/TIA485A；光纖、無(wú)線等等）上的異步串行傳輸?shù)?。如果在消息接收過程中發(fā)生一個(gè)錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一個(gè)錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。MODBUS協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式:設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)域。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信?？刂破魍ㄐ攀褂弥饕粡募夹g(shù)，即僅有一個(gè)設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)，其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。它描述了MODBUS控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出。2004年1月，法國(guó)召開的SC65C工作組會(huì)議建議對(duì)包括其在內(nèi)的六個(gè)新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議提案將以PAS(Publicly Available Specification)規(guī)范的形式發(fā)布，MODBUS TCP入圍IEC標(biāo)準(zhǔn)[9]。1996年施耐德公司推出了基于TCP/IP的MODBUS協(xié)議，成本低廉，適用于各種應(yīng)用的解決方案，已成為自動(dòng)化設(shè)備最廣泛支持的協(xié)議。它是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，與底層的物理接口及電氣規(guī)范無(wú)關(guān)。81第2章 MODBUS通訊協(xié)議研究第2章 MODBUS通訊協(xié)議研究 MODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 背景概要MODBUS協(xié)議[2]是由1978年由美國(guó)施耐德公司制定，是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間的通信，支持傳統(tǒng)RS232/422/485設(shè)備和最新發(fā)展出來(lái)的以太網(wǎng)設(shè)備?？刂破鳒y(cè)控軟件在MPLAB IDE ，運(yùn)用dsPIC C30編譯器采用C語(yǔ)言開發(fā)，將MODBUS RTU和MODBUS TCP協(xié)議嵌入控制器中，模擬PLC的運(yùn)行方式；，運(yùn)行在Windows平臺(tái)下，對(duì)控制器進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置及對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制。針對(duì)這種情況，我們研制此中小規(guī)模可編程控制器系統(tǒng)來(lái)滿足這種特定的市場(chǎng)需求。主要市場(chǎng)定位于天然氣長(zhǎng)輸管道的各個(gè)閥室中，閥室一般只有閥門和管道，而沒有計(jì)量調(diào)壓設(shè)備，因此I/O點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單。課題的主要任務(wù)是通過研究PLC系統(tǒng)的工作原理以及MODBUS RTU和MODBUS TCP協(xié)議原理，采用單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于MODBUS協(xié)議的中小規(guī)模可編程邏輯控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)小型PLC的大多數(shù)功能，滿足多種工業(yè)控制的要求。 基于MODBUS協(xié)議的控制器的發(fā)展現(xiàn)狀基于MODBUS協(xié)議的控制器一般由單片機(jī)為核心和外圍輔助邏輯元器件組成，它充分利用單片機(jī)的硬件資源和軟件資源，同時(shí)合理配置特定的功能元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功用，外圍元器件一部分是用來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊的串行接口元件，具有電平轉(zhuǎn)換的功能，這使得MODBUS產(chǎn)品具有組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的能力；另一部分是功能器件，如：I/O擴(kuò)展、LED顯示等，能夠?qū)崿F(xiàn)很多的特定功能。由于以上原因，不同生產(chǎn)廠家提供的DCS、PLC、現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)字設(shè)備之間不能夠互連，信息不能互通，從而就不能達(dá)到更高層次的信息集成需要。（4）現(xiàn)場(chǎng)儀表與DCS、PLC 網(wǎng)絡(luò)通信的需要現(xiàn)場(chǎng)總線問世之前，現(xiàn)場(chǎng)儀表與專用數(shù)字通信設(shè)備之間的通信信道是不暢通的，并且過程工廠控制室內(nèi)儀表僅能得到有限的現(xiàn)場(chǎng)信息，這是因?yàn)椋孩俑鞴局圃斓漠a(chǎn)品都有特定的通信協(xié)議。既然一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表能提供多參數(shù)，同樣一個(gè)工藝過程所需過程儀表數(shù)量也相對(duì)減少了，因儀表導(dǎo)致的泄漏機(jī)會(huì)也減少了，因此，用于遵循環(huán)保等法規(guī)所花的費(fèi)用相對(duì)也減少了?，F(xiàn)場(chǎng)總線可使為遵循法規(guī)所花的費(fèi)用更合理，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能儀表除了傳遞過程變數(shù)以外，第二變數(shù)也能傳遞。隨著工廠設(shè)備改進(jìn)，回路確認(rèn)時(shí)間減少，對(duì)文件記錄需求減少；另外，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，還可以提高控制系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的可靠性，這些都能使整個(gè)系統(tǒng)的成本降低。（2）節(jié)省開支的需要應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)越性之一就是可以節(jié)省開支。其三，環(huán)境保護(hù)是當(dāng)今世界性課題，各級(jí)政府普遍重視環(huán)境保護(hù)工作，以政府名義制訂出各種環(huán)境保護(hù)法規(guī)，對(duì)環(huán)境提出高要求。非技術(shù)因素有官場(chǎng)、市場(chǎng)、價(jià)格、營(yíng)銷策略、地點(diǎn)、服務(wù)等。從用戶要求出發(fā)，必須解決不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化檢測(cè)儀表、現(xiàn)場(chǎng)智能化設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和互相通信問題，而統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正可以解決這一問題。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在制器中應(yīng)用的意義（1）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要 為過程工廠自動(dòng)化服務(wù)的工業(yè)過程自動(dòng)化儀表面臨著三方面的挑戰(zhàn)：用戶要求的挑戰(zhàn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，法規(guī)約束的挑戰(zhàn)?；谏鲜龇治觯芯恐行⌒蚉LC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。因此，大力發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PLC，逐步擺脫國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)被國(guó)外廠商和合資企業(yè)所壟斷的局面，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。（3）社會(huì)價(jià)值。而以單片機(jī)為核心開發(fā)的中小型可編程邏輯控制器，只需幾百元的成本即可實(shí)現(xiàn)中小型PLC的精簡(jiǎn)控制功能，如果量產(chǎn)的話成本可以更低。在如上文所述的中小型控制系統(tǒng)的項(xiàng)目背景下，系統(tǒng)的成本控制往往占有重要的地位，對(duì)于系統(tǒng)不但要求實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，往往也要求節(jié)約成本。開發(fā)針對(duì)這些中