CN113709012A - 一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，首先由主机发送第一指令，从机根据第一指令设置各寄存器的变化上限，并返回应答；然后主机发送读取全量数据指令，从机返回全量数据；以及最后，主机定期发送第二指令，从机接收到第二指令后，返回变化数据应答包，其中，变化数据应答包包括相邻两次指令间，数据变化大于变化上限的寄存器数据。

Description

一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，特别涉及一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法。

背景技术

Modbus一种串行通信协议，是工业电子设备之间常用的连接方式，例如可广泛地应用于监控***与设备之间的数据采集与控制。对于监控***而言，其需要周期性地将设备数据从头到尾地读取一遍，这就使得当设备数据点较多时，全量数据的数据采集需要较长时间。数据的采集频率往往会成为***的性能瓶颈。

针对这一问题，文献《具有变化传输机制的MODBUS扩展协议》中提到可采用如下方式，提高数据采集的频率。其首先扩展应答包长，在维持原有传输机制的前提下，增加单个数据包的容量，使得尽可能在一个数据包内传送所有数据；然后通过引入变化传输机制，通过索引的方式将变化数据标示出来进行传输，进而减少数据的传输量和处理量，以提高***性能。

但是，该文献中提到的变化传输机制是通过在两次全数据查询指令之间增加若干次变化数据查询，并定义了变化数据基本单元用于描述变化数据。其所定义的变化数据基本单元每个寄存器均需要5个字节，格式效率较低，尤其是当变化的寄存器地址连续时，效率甚至低于原始定义的Modbus数据包。同时，其并未给出数据变化的具体定义，这就有可能使得一些微小的无效变化数据同样被传输，影响***整体效率。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，包括：

主机发送第一指令，从机根据所述第一指令设置各寄存器的变化上限，并返回应答；

主机发送读取全量数据指令，从机返回全量数据；以及

主机定期发送第二指令，从机接收到所述第二指令后，返回变化数据应答包，所述变化数据应答包包括相邻两次指令间，数据变化大于所述变化上限的寄存器数据。

进一步地，所述扩展通信方法还包括，主机发送第一指令，修改从机的各寄存器的变化上限。

进一步地，所述第一指令包括功能码、配置段总长度以及若干个配置段，其中任一所述配置段包括起始寄存器地址、包含的寄存器个数以及各寄存器的变化上限。

进一步地，从机对于所述第一指令的应答包括功能码及应答码，其中，应答码用于表示变化上限设置是否成功。

进一步地，所述第二指令包括功能码、起始寄存器地址以及包含的寄存器个数。

进一步地，所述第二指令中的起始寄存器地址以及包含的寄存器个数的值均设置为0。

进一步地，所述变化数据应答包包括功能码、数据段总长度以及若干个数据段，其中任一所述数据段包括起始寄存器地址、包含的寄存器个数以及各寄存器的数值。

本发明另一方面提供一种监控***，其采用如上所述的扩展通信方法实现设备数据的实时监控。

本发明提供的一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，在传统的Modbus通信协议的而基础上，设计了两个扩展Modbus指令，使得主机在第一次获取到全量数据之后，后续通信过程中，仅进行变化数据的传输，大大减小了应答包数量点数。此外，其中一条扩展Modbus指令用于设置从机中各寄存器数据可接受的变化上限，进而对“变化数据”进行准确定义，有效避免了微小的无效变化数据的传输，进一步减少了应答包数量点数，提高了数据采集效率。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出Modbus通信协议的通信过程示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法的流程示意图；以及

图3示出本发明一个实施例的一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法的过程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

Modbus协议是一种主从架构的协议，其包括多个通信节点，其中一个节点作为主机节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点作为从机节点。每一个从机设备都有一个唯一的地址，在串行和MB+网络中，只有被指定为主机节点的节点可以启动一个命令。一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令。所有的Modbus命令包含了检查码，以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。图1示出Modbus通信协议的通信过程示意图。如图1所示，当需要读取从机设备中数据时，主机会向从机发送读指令，从机接收到读指令后，将指定位置寄存器中的数据返回给主机，主机对返回的数据进行处理，此为一次通信过程。基于Modbus协议的上述特性，在监控***中常采用Modbus协议实现设备数据的监控，在这类应用中，将监控***视为主机，被监控设备作为从机，然后定期读取被监控设备的数据。根据实际使用来看，实际上两次通信之间发生变化的数据点并不会很多，通常都是远远小于总数据点的，因此，若能仅传输发生变化的数据点，就能够有效减少每次通信的数据点数量，减小应答包大小，进而提高数据采集效率。然而，若采用现有技术的Modbus数据格式，则返回的变化数据应答包中需要包含每个产生数据变化的寄存器的地址及对应的数据，这样每个寄存器需要至少5个字节，应答包格式效率低。为解决这一问题，发明人通过研究发现，在设备监控时，尤其是在储能领域的一些设备监控中，所采集的数据多为一些电学参数，例如电压、电流等，这类数据在出现变化时，通常是连续多个寄存器中的数值同时发生变化，因此，对于这种变化数据的地址连续的情况，若应答包中仅记载变化数据的起始寄存器地址以及连续地址寄存器的个数，就能以较少的字节表达完整的地址信息，进而缩短变化数据应答包的长度，这种优势随着连续地址数量的增加越为显著。此外，发明人通过研究还发现，对于一些模拟量的电学参数而言，其在设备使用过程中往往一直在发生一些微小的变化，但在实际应用中，这种微小的变化没有意义，可以认为是没有发生变化，因此，无需作为变化数据上传，基于此，在进行变化数据读取时，首先需要明确定义变化数据的含义，进而减少无意义变化数据的传输，进一步减小变化数据应答包的大小，提高数据采集效率。

基于上述洞察，本发明提供一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，其通过设计两个扩展Modbus指令，仅对符合要求的变化数据进行读取，有效提高了数据采集的效率。下面结合实施例附图，对本发明的方案作进一步描述。

图2及图3分别示出本发明一个实施例的一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法的流程及过程示意图。如图2及图3所示，一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，包括：

首先，在步骤101，设置变化上限。主机发送第一指令设置从机各寄存器的变化上限，从机根据所述第一指令设置各寄存器的变化上限，并返回应答。在本发明的一个实施例中，所述第一指令的格式如表1所示，包括功能码、配置段总长度，以及N个配置段。其中，所述第一指令的功能码为41，因此，在本发明的实施例中，所述第一指令也可称为41指令，所述功能码占据一个字节。所述配置段总长度是指各个配置段中包含的字节数的总和，受限于Modbus协议单个数据包的长度限制(65535)，第一指令的总长也不超过65535，因此，所述配置段总长度采用两个字节即可满足需求。任一所述配置段可以设置连续K个寄存器的变化上限，其具体定义如表2所示，包括起始地址、长度以及变化范围，其中，所述起始地址是指所述配置段中起始的寄存器地址，其占用两个字节，所述长度是指所述配置段中包含的寄存器的个数K，仅需一个字节，所述变化范围为连续K个寄存器的变化上限，任一寄存器的变化上限需要两个字节，因此，一个配置段的总长度为3+2K字节，一个第一指令的总长度则为3+N(3+2K)。

字段	字节数	值
			功能码	1	41
配置段总长度	2	配置段包含字节数
			配置段*N	不定长

表1

字段	字节数	值
			起始地址	2	配置段起始寄存器
长度	1	配置段包含的寄存器个数K
			变化范围	2*k	连续K个寄存器的变化范围值

表2

从机在寄存器的变化上限设置完成后，所返回的应答包格式如表3所示，包括功能码及应答码，其中，功能码对应于所述第一指令的功能码，同样为41，而应答码则用于表示变化上限设置是否成功，在本发明的一个实施例中，应答码的值为0表示执行成功，值为1则表示执行失败，需要重新进行变化上限的设置：

表3

接下来，在步骤102，读取全量数据。主机发送读取全量数据指令，从机返回全量数据，在该步骤中，所采用的指令为Modbus标准指令，因此，不再赘述；以及

接下来，在步骤103，读取变化数据。主机定期发送第二指令，以获取变化数据，从机接收到所述第二指令后，返回变化数据应答包，所述变化数据应答包包括相邻两次指令间，数据变化大于所述变化上限的寄存器数据，所述相邻两次指令可以指读取全量数据指令与第一次的第二指令，也可以指任意两次相邻的第二指令。在此过程中，还可根据实际需要，修改寄存器的变化上限，具体而言，是通过主机发送新的第一指令，修改从机的各寄存器的变化上限。在本发明的一个实施例中，所述第二指令的格式如表4所示，包括功能码、起始地址以及寄存器数。其中，所述第二指令的功能码为42，因此，在本发明的实施例中，所述第二指令也可称为42指令，所述功能码占据一个字节。由于所述第二指令是读取设备中所有的变化数据，因此，从机收到第二指令后，实际需要遍历所有的寄存器地址，因此，在本发明的实施例中，所述第二指令中的起始地址以及寄存器数的值均设置为0。

字段	字节数	值
			功能码	1	42
起始地址	2	0
			寄存器数	2	0

表4

在本发明的一个实施例中，所述变化数据应答包的格式如表5所示，包括功能码、数据段总长度以及L个数据段。其中，所述功能码与所述第二指令功能码对应，其值设置为42，占用一个字节数。所述数据段总长度是指各个数据段中包含的字节数的总和，受限于Modbus协议单个数据包的长度限制(65535)，所述变化数据应答包的总长也不超过65535，因此，所述数据段总长度采用两个字节即可满足需求。任一所述数据段包含连续K个寄存器的数值，其具体定义如表6所示，包括起始地址、长度以及数据，其中，所述起始地址是指所述数据段中起始的寄存器地址，其占用两个字节，所述长度是指所述数据段中包含的寄存器的个数K，仅需一个字节，所述数据为连续K个发生数据变化的寄存器中的实时数据，任一寄存器的实时数据需要两个字节，因此，一个数据段的总长度为3+2K字节，一个变化数据应答包的总长度则为3+N(3+2K)，相较于现有技术中，一个寄存器信息(含地址及数据)占用5个字节的长度而言，本发明实施例中的变化数据应答包长度大大缩小，可有效缩短变化数据应答包长度50％以上。

字段	字节数	值
			功能码	1	42
数据段总长度	2	数据段包含字节数
			数据段*L	不定长

表5

字段	字节数	值
			起始地址	2	数据段起始寄存器
长度	1	数据段包含的寄存器个数K
			数据	2*K	连续K个寄存器的值

表6

本发明实施例中的一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，可应用于监控***中，将监控***作为Modbus主机，以及被监控设备作为从机，则可采用所述扩展通信方法，进行设备数据的监控。

本发明提供的一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，在传统的Modbus通信协议的基础上，设计了两个扩展Modbus指令，使得主机在第一次获取到全量数据之后，后续通信过程中，仅进行变化数据的传输，大大减小了应答包数量点数。此外，其中一条扩展Modbus指令用于设置从机中各寄存器数据可接受的变化上限，进而对“变化数据”进行准确定义，有效避免了微小的无效变化数据的传输，进一步减少了应答包数量点数，提高了数据采集效率。此外，其还可以通过指令的方式，根据场景的需要，动态修改单点变化范围。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种基于Modbus通信协议的扩展通信方法，其特征在于，包括步骤：

由主机发送第一指令，并由从机根据所述第一指令设置各寄存器的变化上限并返回应答；

由主机发送读取全量数据指令，并由从机返回全量数据；以及

由主机定期发送第二指令，并由从机在接收到所述第二指令后返回变化数据应答包，其中所述变化数据应答包包括相邻两次指令之间数据变化大于所述变化上限的寄存器数据。

2.如权利要求1所述的扩展通信方法，其特征在于，还包括，主机发送第一指令，修改从机中寄存器的变化上限。

3.如权利要求1所述的扩展通信方法，其特征在于，述第一指令包括功能码、配置段总长度以及若干个配置段，其中任一所述配置段包括起始寄存器地址、包含的寄存器个数以及各寄存器的变化上限。

4.如权利要求1所述的扩展通信方法，其特征在于，从机对于所述第一指令的应答包括功能码及应答码，其中，应答码被配置为能够表示变化上限设置是否成功。

5.如权利要求1所述的扩展通信方法，其特征在于，所述第二指令包括功能码、起始地址以及寄存器数。

6.如权利要求5所述的扩展通信方法，其特征在于，所述第二指令中的起始地址以及寄存器数的值均设置为0。

7.如权利要求1所述的扩展通信方法，其特征在于，所述变化数据应答包包括功能码、数据段总长度以及若干个数据段，其中任一所述数据段包括起始寄存器地址、包含的寄存器个数以及各寄存器的数值。

8.一种监控***，其特征在于，采用如权利要求1至7任一所述的扩展通信方法。

9.一种基于Modbus通信协议的扩展通信***，其特征在于，包括：

主机，其被配置为执行下列动作：

向从机发送第一指令；

向从机发送读取全量数据指令；以及

向从机发送第二指令；

从机，其被配置为执行下列动作：

根据所述第一指令设置各寄存器的变化上限并返回应答；

根据接收的读取全量数据指令返回全量数据；以及

在接收到所述第二指令后返回变化数据应答包，其中所述变化数据应答包包括第一指令与第二指令指令之间的数据变化大于所述变化上限的寄存器数据。

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