工业自动化网络课件：第6章 Modbus总线技术.ppt

第第6章章 Modbus总线技术总线技术 6.1 Modbus协议的特点与模型协议的特点与模型 6.2 数据链路层数据链路层 6.3 Modbus应用层规范应用层规范 6.4 Modbus/TCP协议协议 本章要求重点：Modbus总线的原理与应用掌握：Modbus的数据链路层和应用层了解：Modbus/TCP协议6.1 Modbus协议的特点与模型q19791979年年ModiconModicon公司公司( (现现Schneider Schneider 的一部分的一部分) )提出的提出的ModbusModbus，是一种工业现场总线协议标准是一种工业现场总线协议标准qModbusModbus最初作为工业串行链路的实施标准最初作为工业串行链路的实施标准q19971997年年SchneiderSchneider推出了基于以太网推出了基于以太网TCP/IPTCP/IP的的ModbusModbus协议协议ModbusTCPModbusTCPqModbusModbus协议是一项应用层报文传输协议，包括协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCIIASCII、RTURTU、TCPTCP三种报文类型，协议本身并没有定义物理层，只是定义三种报文类型，协议本身并没有定义物理层，只是定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管他们是经过何了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管他们是经过何种网络进行通信的。

种网络进行通信的q标准的标准的ModbusModbus协议物理层接口有协议物理层接口有RS232RS232、RS422RS422、RS485RS485和以和以太网口采用太网口采用Master/SlaveMaster/Slave（主（主/ /从）方式通信从）方式通信q20042004年年ModbusModbus作为我国国家标准作为我国国家标准GB/T19582-2008GB/T19582-2008主要技术特点丰富的功能码 P107具有出错应答功能主从结构支持多种电气接口无需专用芯片，简便易行图图1：MODBUS网络体系结构的实例网络体系结构的实例图图2：MODBUS通信栈通信栈Modbus技术规范的关系6.3 Modbus在串行链路上的实现Modbus可以在串行链路或TCP上实现Modbus 协议和协议和 ISO/OSI 模型模型ModbusModbus串行链路协议是一个主串行链路协议是一个主- -从协议在同一时刻，从协议在同一时刻，只有一个主站连接到总线，一个或多个从站（最大编号只有一个主站连接到总线，一个或多个从站（最大编号为为247247）连接于同一串行总线连接于同一串行总线ModbusModbus通信由主站发起，从站在没有收到来自主站的请通信由主站发起，从站在没有收到来自主站的请求时，从不会发送数据。

求时，从不会发送数据从站之间互不通信从站之间互不通信主站在同一时刻只会发起一个主站在同一时刻只会发起一个ModbusModbus事务处理事务处理主站以两种模式对从站发送主站以两种模式对从站发送ModbusModbus请求：广播、单播请求：广播、单播一、主从通信方式单播模式单播模式广播模式广播模式广播请求必须是写广播请求必须是写命令，所有设备必命令，所有设备必须接收写功能的广须接收写功能的广播 主站寻址单个从站主站寻址单个从站 Modbus协议处理两个报文：协议处理两个报文：主站请求和从站的相应主站请求和从站的相应Modbus 地址规则01247248255广播地址广播地址从站（子节点）单独地址从站（子节点）单独地址保留地址保留地址地址地址0保留为广播地址所有的从站（子节点）保留为广播地址所有的从站（子节点）必须必须识别广播地址识别广播地址Modbus主节点（主站）没有地址，只有子节点必须有一个地址主节点（主站）没有地址，只有子节点必须有一个地址该地址该地址必须必须在在Modbus串行总线上唯一串行总线上唯一二. 串行链路上的Modbus帧结构Modbus串行链路协议是一个主/从协议网络上的每个从站必须有唯一的地址（从1到247）从站地址用于寻址从站设备，由主站发起地址0用于广播模式，不需要响应RS-485和RS-232 定义了标准的物理端口，提高互可操作性两种Modbus串行传输模式ASCII传输RTU传输ASCII帧以冒号（以冒号（:）为起始符，回车换行符为结束。

为起始符，回车换行符为结束其他区可用其他区可用09、AFASCII帧RTU帧地址区ASCII帧：帧：2字符字符RTU帧：帧：8bit01247248255广播地址广播地址子节点（从站）单独地址子节点（从站）单独地址保留地址保留地址主站通过将从站的地址放入报文中的地址区来选通从站，当从站发送响应报文时，将自己的地址放入响应的地址区中，以便主站知道是哪一个设备作出的响应功能区ASCII帧：帧：2字符字符RTU帧：帧：8bit主站发送报文给从站时，功能码告诉从站执行何种操作；从站返回响应时，功能码表明是正常响应还是错误响应主站收到异常响应时，重发报文或者诊断所发报文并报告给操作员数据区ASCII帧：帧：n字符字符RTU帧：帧：n*8bit主站发送给从站的数据区中的内容包含从站执行操作的功能码等附加信息若无错误，从站返回的数据区包含主站要读取的数据；若有错误，数据区包含一个意外码，以便主站进行下一步操作错误诊断区ASCII帧：帧：2字符，采用字符，采用LRC校验校验RTU帧：帧：16bit，采用，采用CRC校验校验主站发送给从站的数据区中的内容包含从站执行操作的功能码等附加信息若无错误，从站返回的数据区包含主站要读取的数据；若有错误，数据区包含一个意外码，以便主站进行下一步操作。

三、主站状态图四、从站状态图五、主从站通信时序图六、差错检测奇偶校验LRCCRC注意注意：如果从站校验时出错，则从站不会接收：如果从站校验时出错，则从站不会接收报文，也不会向主站发送响应帧，主站因响应报文，也不会向主站发送响应帧，主站因响应超时重新发送请求超时重新发送请求Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议q客户机能够向服务器发送请求q服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答6.3 Modbus应用层规范通用通用Modbus帧结构帧结构协议数据单元协议数据单元 (PDU)(PDU)Modbus是一个可选择部分使用的协议是一个可选择部分使用的协议 q服务器可执行部分服务器可执行部分Modbus协议协议Modbus由公共功能码、用户定义功能码和保留功能码三部分组由公共功能码、用户定义功能码和保留功能码三部分组成成Modbus应用协议使用功能码列表读或写数据，或者在远程服务应用协议使用功能码列表读或写数据，或者在远程服务器上进行远程处理器上进行远程处理Modbus事务处理(无差错)当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）对于一个正常响应来说，服务器仅复制原始功能码ModbusModbus事务处理事务处理( (异常响应异常响应) )SM6q对于异常响应，服务器将原始功能码的最高有效位设置逻辑对于异常响应，服务器将原始功能码的最高有效位设置逻辑1 1后返后返回回 q异常码指示差错类型异常码指示差错类型Modbus PDU结构qModbusModbus请求请求PDUPDU mb_req_pdu = function_code, request_data , mb_req_pdu = function_code, request_data , function_code - 1 function_code - 1字节字节 ModbusModbus功能码功能码 request_data - nrequest_data - n字节字节 qModbusModbus响应响应PDUPDU mb_rsp_pdu = function_code, response_ data ,mb_rsp_pdu = function_code, response_ data , function_code - 1 function_code - 1字节字节 Modbus Modbus功能码功能码 response_data - nresponse_data - n字节字节 qModbusModbus异常响应异常响应PDUPDU mb_excep_rsp_pdu = function_code, exception_code , mb_excep_rsp_pdu = function_code, exception_code , function_code - 1 function_code - 1字节字节 Modbus Modbus功能码功能码 + 0 x80 + 0 x80 exception_codeexception_code11字节字节 Modbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的四个基本表格为：Modbus 数据模型基本表基本表对象类型对象类型访问类型访问类型注释注释离散量输入离散量输入单个位单个位只读只读I/O系统可提供这种类型数据系统可提供这种类型数据线圈线圈单个位单个位读写读写通通过过应应用用程程序序可可改改变变这这种种类类型型数据数据输入寄存器输入寄存器16位字位字只读只读I/O系统可提供这种类型数据系统可提供这种类型数据保持寄存器保持寄存器16位字位字读写读写通通过过应应用用程程序序可可改改变变这这种种类类型型数据数据Modbus功能码应用实例(1) 读线圈01 (0 x01)请求请求响应响应错误错误功能码功能码1字节字节0 x01起始地址起始地址2字节字节0 x0000 至至0 xFFFF线圈数量线圈数量2字节字节1至至2000（0 x7D0）功能码功能码1字节字节0 x01字节计数字节计数1字节字节N*线圈状态线圈状态n字节字节nN或或N+1功能码功能码1字节字节功能码功能码0 x80异常码异常码1字节字节01或或02或或03或或04* *N N寄存器的数量寄存器的数量/8/8，如果余数不等于，如果余数不等于0 0，那么，那么 N = N+1N = N+1读取线圈状态图读取线圈状态图二、功能诊断功能代码08（回送诊断校验）提供一系列试验，校验主设备和从设备间的通信系统或检查从设备中出现错误的各种条件，不支持广播。

08使用子功能代码（2字节）定义实验类型三、意外码（异常码）意外响应帧功能码大于正常响应帧的值异常响应举例MODBUS事事务务处处理理的的状状态态图图 优点优点：v公开的协议，公开的协议，完全免费完全免费v简单易用简单易用，性能稳定性能稳定 v广泛的知识资源支持广泛的知识资源支持Modbus 的优缺点的优缺点 缺点：缺点：v自适应性差，需合理组态自适应性差，需合理组态v通信效率低通信效率低Modbus协议是一个开放性协议 Modbus协议指配TCP / UDP 知名端口502Modbus协议是一个标准协议 IETF组织提议将Modbus协议作为因特网标准Modbus协议是自动化领域中广泛使用“事实”标准 6.4 Modbus在TCP/IP上的实现以太网 (快速以太网)使用目前最流行的LAN技术IEEE 802.3中定义的以太网和以太网IITCP/IP模型描述因特网协议的组合6.4 Modbus在TCP/IP上的实现一、客户服务器模型Modbus协议请求报文：客户端发送协议请求报文：客户端发送Modbus协议指示报文：服务器端接收的请求报文协议指示报文：服务器端接收的请求报文Modbus协议响应报文：服务器端发送协议响应报文：服务器端发送Modbus协议证实报文：客户端接收的响应报文协议证实报文：客户端接收的响应报文证实 Modbus TCP/IP的通信设备： 连接至TCP/IP网络的Modbus TCP/IP客户机和服务器设备； 互连设备；如：在TCP/IP网络和串行链路子网之间互连的网桥、路由器或网关等设备二、TCP/I。