CN102053935A - 一种基于modbus串行通讯协议的通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及串行通讯协议的相关技术领域，特别是一种基于MODBUS串行通讯协议的通讯方法，包括：首先主站向从站发送检测字符数据；然后根据保存在主站的从站地址查询从站是否准备就绪；主站发送组态数据给从站；则主站发送接收输入输出数据；从站初始化后，进入准备就绪状态，根据检测字符数据确定波特率，向主站返回准备就绪信息，当检测到组态数据，且组态数据和保存在从站的输入输出数据一致则从站进入交换状态，和主站进行数据交换。本发明第一：MODBUS的基础上丰富功能，增加总线状态查询，组态数据等功能。第二：提供标准主站程序，用户可以只要修改提供的头文件，就能很方便实用。第三：从站能自动适应多个波特率，提供总线状态，多种诊断信息。

Description

一种基于MODBUS串行通讯协议的通讯方法

技术领域

本发明涉及串行通讯协议的相关技术领域，特别是一种基于MODBUS串行通讯协议的通讯方法。

背景技术

MODBUS是一种串行通信协议，是Modicon于1979年，为使用可编程逻辑控制器(PLC)而发表的。事实上，它已经成为工业领域通信协议标准，并且现在是工业电子设备之间相当常用的连接方式。

传统模拟控制***采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。现场总线控制***可实现一对电线上传输多个信号，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等。这样就为简化***结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造条件。

现在有多种流行现场总线，它们非常成熟可靠，但是这些总线不管是主站设备还是从站设备都非常昂贵。对于中小型自动化控制***，现场设备只有400台以下，通讯的数据量并不太大，在这样条件下使用当前流行现场总线太过昂贵。而使用串口通讯基于MODBUS协议，成本非常低，并且MODBUS协议使用非常广泛。可惜MODBUS协议很多年都没有进一步发展，各个厂家根据MODBUS协议自己做主站或从站程序，这样兼容性很差，可靠性也没有办法保证，通讯的速率一般为9600bps，从站相应时间也很慢，所以很不适应自动化控制应用。

发明内容

本发明提供一种基于MODBUS串行通讯协议的通讯方法，以解决现有技术中使用MODBUS协议兼容性差的技术问题。

为了实现本发明的发明目的，采用的技术方案如下：

一种基于MODBUS串行通讯协议的通讯方法，所述通讯方法用于在主站和从站之间实现串行通讯，所述方法包括：

主站方面执行如下步骤：

首先主站向从站发送检测字符数据；

然后根据保存在主站的从站地址查询从站是否准备就绪；

如果从站准备就绪，主站发送组态数据给从站；

主站查询从站是否进入交换状态，如果从站进入交换状态，则主站发送接收输入输出数据；

从站方面执行如下步骤：

从站初始化后，进入准备就绪状态，然后等待检测字符数据；

当接收到检测字符数据，则根据检测字符数据确定波特率，向主站返回准备就绪信息，并等待主站发送组态数据；

当检测到组态数据，且组态数据和保存在从站的输入输出数据一致则从站进入交换状态，并向主站发送进入交换状态信息，和主站进行数据交换。

作为一种优选方案，所述方法还包括：

主站向从站发生检测字符数据后，主站根据保存在主站的从站地址多次查询从站是否准备就绪，如果超过预先设定的准备状态查询阈值，仍未收到从站准备就绪信息，则判断查询出错并给出告警信息。

作为一种优选方，所述方法还包括：

主站多次查询从站是否进入交换状态，如果超过预先设定的交换状态查询阈值，仍未收到从站发送的进入交换状态信息，则主站判断查询出错并给出告警信息。

作为一种优选方，所述方法还包括：

主站检测由用户提供的头文件，根据头文件中的通讯参数，设置向从站发送的检测字符数据。

作为一种优选方，所述方法还包括：

主站与从站发送的输入输出数据，根据输入输出数据的数据帧的功能码判断数据帧的传输服务类型：

如果传输服务类型判断为发送数据需应答类型：

则接收端需要发送确认帧，如果发送端在规定的时间内没有接收到确认帧，则判断数据帧发送出错，将重复数据传输；

如果传输服务类型判断为发送数据无需应答类型：

则接收端不发送确认帧；

如果传输服务类型判断为发送和请求数据需回答类型：

则发送端向接收端发送数据时，请求接收端回答数据，接收端需要发送确认帧且回答数据，如果发送端在规定的时间内没有接收到确认帧或没有收到接收端发送的回答数据，则判断数据帧发送出错，将重复数据传输。

本发明在三个方面进行改进，第一：MODBUS的基础上丰富功能，增加总线状态查询，组态数据等功能。第二：提供标准主站程序，用户可以只要修改提供的头文件，就能很方便实用。第三：从站能自动适应多个波特率，提供总线状态，多种诊断信息。

附图说明

图1为本发明实施例主站的流程图；

图2为本发明实施例从站的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1和图2所示为本发明实施例的流程图，包括如下步骤：

主站方面执行如下步骤：

首先主站向从站发送一串特殊字符数据；

然后根据保存在主站的从站地址查询从站是否准备就绪；

如果从站准备就绪，主站发送组态数据给从站；

主站查询从站是否进入交换状态，如果从站进入交换状态。则主站发送接收输入输出数据；

从站方面执行如下步骤：

从站初始化后，进入准备就绪状态，然后等待检测字符数据；

当接收到特殊字符数据，则根据特殊字符数据确定波特率，向主站返回准备就绪信息，并等待主站发送组态数据；

当检测到组态数据，且组态数据和保存在从站的输入输出数据一致则从站进入交换状态，并向主站发送进入交换状态信息，和主站进行数据交换。

本实施例使用OSI参考模型7个层次中的3个次，分别是：物理层、数据链路层、用户层。

1.1物理层是一种介质，包括长度和拓扑结构、总线接口、站点数和在9.6kbit/s到500kbit/s之间可变的数据传输速率可适应不同的应用。在用户接口上，具有共同的存取方式、传输协议和共同的服务。

物理层类型1(包含在本规范的第二部分中)是根据EIA标准RS-485制定的：

·拓扑：线性总线，在两端有终端器，短截线≤0.3m，无分支；

·介质：屏蔽双绞线

·总线长度：≤1200米

·站点数：32(主站，从站或中继器)

·数据传输速率：9.6/19.2/93.75/187.5/500kbits/s.

物理层类型2(依据IEC 61158-2制定的，包含在本规范的第九部分中)

满足本质

安全(IS)的要求：

·拓扑：线性总线，在两端有终端器，短截线(Spur)总长≤120米；

·介质：双绞线或多心电缆(屏蔽或非屏蔽)；

·总线长度：≤1900米，与电缆类型有关；

·站点数：32(主站，从站或中继器)；

·数据传输速率：31.25kbits/s。

1.2数据链路层

介质存取控制协议(MAC)，数据传输服务和管理服务符合标准DIN 19241-2，GB/T9469(PROWAY C)，ISO 8802-2和ISO/IEC JTC I/SC 6N 4960(LLC类型1和LLC类型3)的定义。

八位位组(字符)格式是UART格式FT 1.2(带起-停同步的异步传输)，如同对远程控制设备和***(IEC 870-5-1)定义的那样。传输方式为RTU模式。Modbus信息帧使用RTU模式，信息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隙开始。在网络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0...9，A..F。网路设备的不断侦测总线，包括停顿间隙时间内。当第一个域接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往给自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。

整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示：

其他具体内容请参考MODBUS协议

通过简化Modbus功能码，把功能码定义如下几种数据传输服务：

发送数据需应答

此服务允许用户给单个远程站发送数据。如果有错，将重复数据传输。

发送数据无需应答

此服务允许用户同时给单个远程站、多个远程站(群播)或同时给全部远程站(广播)发送数据，不需要任何确认。

发送和请求数据需回答

此服务允许用户给单个远程站发送数据，同时请求此远程站回答数据。如果有错误，将重复数据传输。

1.3应用层

从通信伙伴(服务特性)观点看，FMS描述通信对象、服务以及关系模型。

在现场和过程级，通信的目的是在两个通信站之间传输数据(如，读/写被测值，装入/起动/停止程序，处理事件等)。

对于一个设备的应用过程与另一个设备的应用过程间的通信，被传输的过程对象必须要让通信***知道，这就是说，过程对象必须作为通信对象列在对象字典(OD)中(OD类似于公共电话簿)。这样，一个应用过程的通信对象在被通信服务寻址和处理之前，必须是可视且有效的。为了有效的通信，与不同设备通信的应用过程需要有比通信对象更多的信息。

通常，在运行期间站与站之间有一定距离或者是不可接近的，因此，在网络中必须能用它们的特性来唯一地识别它们。通过总线能读出诸如制造商名称、型号、行规等有关数据。此外，关于设备通信接口状态信息和真实设备的信息(如，交付日期的指示等)都是非常重要的方面。

由连接在总线上的所有站提供的公共的对象字典、标准化的设备特性、相同的服务和一致的接口构成不同制造商的设备间开放通信的基础。一个设备的这种相容部分称虚拟现场设备(VFD)。

对虚拟现场设备，本规范仅对应用过程的通信对象描述服务的作用。虚拟现场设备对真实设备的映象不是本规范的论题。应用层与实际应用过程之间有应用层接口(ALI)。

通过此中间接口来访问应用层的服务。它提供附加的通信功能以适应应用过程的需要。此外，应用层接口做虚拟现场设备到真实现场设备的映象。

第二：提供标准主站程序

标准主站程序库提供了标准发送接收程序、诊断程序、组态程序等各种程序，这些功能可以通过头文件进行添加。头文件包括各种通讯参数，例如：波特率、校验位、站延时时间、输入输出数据、诊断数据。客户只要修改这些参数就可以很方便和从站设备通讯。

首先主站程序检查自身状态，如果主站准备就绪，则发送一串特殊字符数据，以便从站能正确辨别波特率。然后根据用户提供的地址查询从站是否准备就绪，总线是否正常。如果检测到从站还没有准备好，主站一直发送给该从站查询从站状态，N次后，标准主站程序发送主站标准诊断信息，提醒主站有错误。如果从站准备就绪，主站发送组态数据给从站，主站查询N次从站是否进入交换状态，如果N次从站都没有进入交换状态，标准主站程序发送主站标准诊断信息。如果从站交换状态。则主站发送接收输入输出数据。

第三：从站程序

现在很多单片机时钟频率都很快，非常丰富资源，例如：多个定时器；UART波特率可以达到1Mbps以上、能自动识别特殊字符波特率、硬件流控制；DMA数据直接存取功能，可以不用CPU控制就能自动接收发送串口数据。使用实时***，把通讯任务放到优先级比较高，这样站延时时间确定最大值。

从站上电复为后，初始化串口，然后进入准备就绪状态，然后等待特殊字符，确定波特率。再等待主站组态数据，如果组态数据和从站配置的输入输出数据一样就进入交换状态。和主站进行正确数据交换。从站并实时更新自己状态，以便主站查询。

Claims (5)

1.一种基于MODBUS串行通讯协议的通讯方法，所述通讯方法用于在主站和从站之间实现串行通讯，其特征在于，所述方法包括：

主站方面执行如下步骤：

首先主站向从站发送检测字符数据；

然后根据保存在主站的从站地址查询从站是否准备就绪；

如果从站准备就绪，主站发送组态数据给从站；

主站查询从站是否进入交换状态，如果从站进入交换状态，则主站发送接收输入输出数据；

从站方面执行如下步骤：

从站初始化后，进入准备就绪状态，然后等待检测字符数据；

当接收到检测字符数据，则根据检测字符数据确定波特率，向主站返回准备就绪信息，并等待主站发送组态数据；

当检测到组态数据，且组态数据和保存在从站的输入输出数据一致则从站进入交换状态，并向主站发送进入交换状态信息，和主站进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的通讯方法，其特征在于，所述方法还包括：

主站向从站发生检测字符数据后，主站根据保存在主站的从站地址多次查询从站是否准备就绪，如果超过预先设定的准备状态查询阈值，仍未收到从站准备就绪信息，则判断查询出错并给出告警信息。

3.根据权利要求1所述的通讯方法，其特征在于，所述方法还包括：

主站多次查询从站是否进入交换状态，如果超过预先设定的交换状态查询阈值，仍未收到从站发送的进入交换状态信息，则主站判断查询出错并给出告警信息。

4.根据权利要求1所述的通讯方法，其特征在于，所述方法还包括：

主站检测由用户提供的头文件，根据头文件中的通讯参数，设置向从站发送的检测字符数据。

5.根据权利要求1所述的通讯方法，其特征在于，所述方法还包括：

主站与从站发送的输入输出数据，根据输入输出数据的数据帧的功能码判断数据帧的传输服务类型：

如果传输服务类型判断为发送数据需应答类型：

则接收端需要发送确认帧，如果发送端在规定的时间内没有接收到确认帧，则判断数据帧发送出错，将重复数据传输；

如果传输服务类型判断为发送数据无需应答类型：

则接收端不发送确认帧；

如果传输服务类型判断为发送和请求数据需回答类型：

则发送端向接收端发送数据时，请求接收端回答数据，接收端需要发送确认帧且回答数据，如果发送端在规定的时间内没有接收到确认帧或没有收到接收端发送的回答数据，则判断数据帧发送出错，将重复数据传输。

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