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物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入篇-應(yīng)用層 Modbus（5）

躍曰

2024-06-14

1 評論 2278 瀏覽 5 收藏

16 分鐘

前四篇文章講述的是TCP/IP 模型中的網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層一，這里到了第四層應(yīng)用層二。由于協(xié)議比較多，就分開篇來介紹。這篇講Modbus 協(xié)議,后面再講 MQTT協(xié)議、CoAP 協(xié)議、OPC 框架。都是物聯(lián)網(wǎng)常用的應(yīng)用層協(xié)議。

第四層：應(yīng)用層協(xié)議之二-物聯(lián)網(wǎng)Modbus 協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種請求/應(yīng)答方式的交互過程，主機主動發(fā)起通訊請求，從機響應(yīng)主機的請求，從機在沒有收到主機的請求時，不會主動發(fā)送數(shù)據(jù)，從機之間不會進行通訊。

其中 Mod 是莫迪康公司，現(xiàn)在被施耐德電器收購。bus 是總線的意思，就是有一根主線，有主站和從站（主人和奴隸）。

Modbus 的分類

Modbus 屬于應(yīng)用層協(xié)議，他依賴于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層來傳輸他的電流電壓、數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)包。所以，按Modbus 所依賴的網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議的不同，可以分為以太網(wǎng)通信的 Modbus、串口通信的 Modbus、無線通信的 Modbus。串口通信的 Modbus包括依賴 RS232、RS485、RS422 等。

Modbus 按照他的傳輸模式，可以分為Modbus ASCII、Modbus RTU、Modbus TCP/IP。

Modbus 總線上所有的設(shè)備傳輸模式必須相同。Modbus RTU是一種緊湊的，采用二進制表示數(shù)據(jù)的方式。Modbus ASCII是一種人類可讀的，冗長的表示方式。Modbus TCP/IP，基于 TCP/IP 的協(xié)議，用于通過以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進行通信。你看看，Modbus RTU是直接通過物理層和數(shù)據(jù)鏈路層傳遞幀的，不依賴傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層。

Modbus 通信適用的設(shè)備

Modbus協(xié)議廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制器、傳感器、PLC、HMI、控制面板、驅(qū)動程序、動作控制、輸入/輸出設(shè)備等等。在基于串行鏈路和以太 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的 MODBUS 上可以進行相同通信。

一些網(wǎng)關(guān)允許在幾種使用 MODBUS 協(xié)議的總線或網(wǎng)絡(luò)之間進行通信。

Modbus 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)示例圖：

Modbus 的通用幀格式

包括地址域、功能碼、數(shù)據(jù)、差錯校驗。

主要包括：

地址域：1字節(jié)，即從機設(shè)備地址，通常1-247為有效地址，0為廣播地址。
功能碼：1字節(jié)，表明主機請求數(shù)據(jù)的類型。
數(shù)據(jù)：N字節(jié)，包含寄存器地址和寄存器數(shù)據(jù)等。
差錯校驗：對數(shù)據(jù)進行冗余校驗的結(jié)果，CRC或LRC

Modbus RTU

RTU 格式是 Modbus 協(xié)議中最常用的串行通訊格式之一，數(shù)據(jù)以二進制方式進行傳輸，采用固定的數(shù)據(jù)幀長度，傳輸效率高，適用于高速通訊和較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。

拓撲圖：

Modbus RTU 通?；?RS-485 串行通信鏈路，RS-485 總線布線規(guī)范規(guī)定其必須是總線式拓撲結(jié)構(gòu)。在實際布線中，通常采用手牽手菊花鏈布線方式。1 和 2,2 和 3,3 和 4 這樣連接。RS 232 只有一個主站一個從站。

幀格式：

01 03 00 00 00 02 C4 0B

01：地址

03：功能碼

00 00：數(shù)據(jù)（寄存器地址）

00 02：數(shù)據(jù)（寄存器數(shù)量）

C4 0B：CRC 校驗

起始標志（Start）：通過傳輸中的 3.5 個字符間隔實現(xiàn)。

地址（Address）：1 字節(jié)。

功能碼（Function Code）：1 字節(jié)。

數(shù)據(jù)（Data）：可變長度（最多 252 字節(jié)）。

錯誤校驗（CRC）：2 字節(jié)（循環(huán)冗余校驗）。

結(jié)束標志（End）：通過傳輸中的 3.5 個字符間隔實現(xiàn)。

Modbus RTU 特點：

協(xié)議簡潔：使用二進制格式傳輸數(shù)據(jù)，提高了通信效率。

可靠性高：通過循環(huán)冗余校驗（CRC）來確保數(shù)據(jù)的完整性。

主從架構(gòu)：一個主機可以控制多個從機。從機僅在接收到主機的請求后才會發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了通信沖突。

易于調(diào)試和監(jiān)控：提供了多種調(diào)試和監(jiān)控工具，便于工程師進行現(xiàn)場維護和故障排除。

Modbus ASCII 數(shù)據(jù)幀

ASCII 格式是 Modbus 協(xié)議中另一種常用的串行通訊格式，數(shù)據(jù)以 ASCII 碼的十六進制表示進行傳輸，數(shù)據(jù)幀長度較長，傳輸效率相對較低，適用于低速通訊和較短距離的數(shù)據(jù)傳輸。

Modbus ASCII 也是基于串口通信的。拓撲圖見上面的 RTU。

:010300000002FArn

“：”起始標志

01：地址

03：功能碼

0000：數(shù)據(jù)（寄存器地址）

0002：數(shù)據(jù)（寄存器數(shù)量）

FA：LRC 校驗

rn：結(jié)束標志

Modbus ASCII:

起始標志（Start）：一個冒號 :

地址（Address）：2 個 ASCII 字符（表示 1 字節(jié)的十六進制值）

功能碼（Function Code）：2 個 ASCII 字符（表示 1 字節(jié)的十六進制值）

數(shù)據(jù)（Data）：每字節(jié)由 2 個 ASCII 字符表示（十六進制）

錯誤校驗（LRC）：2 個 ASCII 字符（表示 1 字節(jié)的十六進制值）

結(jié)束標志（End）：CR LF（回車和換行）

Modbus TCP/IP

Modbus TCP 基于以太網(wǎng)通信，因此其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)更為靈活。從串行鏈路上一主多從的構(gòu)造，演變?yōu)槎嗫蛻舳?多服務(wù)器端的構(gòu)造模型。注意這里不是主站從站概念，而是客戶端/服務(wù)器的概念。

客戶端（Client）：發(fā)起通信請求，控制和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備。

例子：HMI、PLC（作為控制器）、SCADA系統(tǒng)、工業(yè)計算機。

服務(wù)端（Server）：響應(yīng)客戶端的請求，提供數(shù)據(jù)或執(zhí)行指令。

例子：傳感器、執(zhí)行器、PLC（作為被控設(shè)備）、智能儀表。

拓撲圖：

以太網(wǎng)通訊方式主要包括 Modbus TCP/IP 和 Modbus UDP/IP 兩種。Modbus TCP/IP 是基于以太網(wǎng)的一種通訊方式，它將 Modbus 協(xié)議封裝在 TCP/IP 協(xié)議棧中，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，采用基于連接的通訊方式，具有高速、穩(wěn)定的特點。

Modbus UDP/IP 是基于 UDP/IP 協(xié)議的一種通訊方式，采用無連接的通訊方式，不保證數(shù)據(jù)的可靠性和順序，適用于對實時性要求較高、對通訊效率要求較高的應(yīng)用場景。幀格式：

:010300000002FArn

“：”起始標志

01：地址

03：功能碼

0000：數(shù)據(jù)（寄存器地址）

0002：數(shù)據(jù)（寄存器數(shù)量）

FA：LRC 校驗

rn：結(jié)束標志

起始標志（Start）：無（由 TCP/IP 協(xié)議處理）

地址（Address）：1 字節(jié)

功能碼（Function Code）：1 字節(jié)

數(shù)據(jù)（Data）：可變長度

錯誤校驗（CRC）：在 Modbus TCP 頭中由 TCP/IP 協(xié)議處理

結(jié)束標志（End）：無（由 TCP/IP 協(xié)議處理）

Modbus 協(xié)議的功能碼

Modbus 協(xié)議中，功能碼用于指定請求的操作類型，例如讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。每個功能碼都有特定的含義和操作。以下是常見的 Modbus 功能碼及其用途：

這里的線圈啊，寄存器都是個什么東西：

線圈 = 一個布爾量。寄存器 = word 操作。

現(xiàn)代 Modbus 設(shè)備，它們通常只映射到一塊內(nèi)存區(qū)域。在這個內(nèi)存區(qū)域中，線圈表示位操作（bit），每個線圈對應(yīng)一個布爾變量（0 或 1、開或關(guān)）。而寄存器則表示字操作（word），每個寄存器對應(yīng)一個整型變量。當然，也可以通過多個寄存器的組合來表示浮點數(shù)以及其他復合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在 Modbus 協(xié)議中，一個字（word）的長度是 16 位，即 2 個字節(jié)，16 個比特。

Modbus 廣播方式：單薄和廣播

單播：

在單播模式下，從站地址必須唯一，地址范圍為 1 到 247。主站通過特定地址訪問指定的從站，發(fā)出一個請求數(shù)據(jù)幀。請求數(shù)據(jù)幀的功能可以是讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。從站接收到請求后，進行相應(yīng)的處理，并在完成后發(fā)送一個應(yīng)答數(shù)據(jù)幀，表示讀取或?qū)懭氩僮鞒晒Γㄓ忠⒁?RS232 只能有一個從站）。獲取數(shù)據(jù)需要輪詢一下所有的從站。單播模式圖：