Структура пакетов данных протокола modbus. Сеть приборов, протокол MODBUS

Мы разобрали общую структуру протокола ModBus. Сегодня мы рассмотрим разновидность этого протокола — ModBus TCP, которая используется для реализации ModBus в сетях Ethernet.

ModBus TCP всегда работает поверх TCP/IP стека, поэтому не может считаться полноценным ModBus протоколом в его классическом виде.

Основное отличие, которое накладывает TCP/IP на ModBus при их совместном использовании — непосредственное подключение к определённому адресу. Протокол TCP/IP устроен по принципу «клиент-сервер». Для обмена данными клиент открывает сеанс связи с сервером, указывая его адрес.

Переходя на терминологию протокола ModBus ведущее устройство (мастер) в TCP-сети становится клиентом (т.к. именно клиент является инициатором обмена данными), а подчинённое устройство (слейв) — сервером.

Таким образом, для того чтобы передать запрос подчинённому устройству в TCP-сети мастер должен сначала открыть сеанс связи с ним. Причём открытие сеанса реализуется не на уровне протокола ModBus, а на уровне TCP/IP. Поэтому ведущее устройство не может средствами ModBus передавать запросы разным устройствам, так же, как это происходит в ModBus RTU или ASCII.

По этой же причине в ModBus TCP отсутствуют широковещательные сообщения (сразу всем подчинённым устройствам).

Однако, Master-устройство может подключаться к необходимому узлу (слейву) средствами протокола TCP/IP, а затем уже общаться с ним на языке ModBus.

На рисунке рабочее место диспетчера под управлением SCADA-системы является сервером сбора данных и одновременно мастером в сети ModBus TCP. Оно последовательно подключается к каждому удалённому контроллеру, открывая сеанс связи в сети TCP/IP и обменивается с ним ModBus-пакетами.

Безусловно, такой обмен происходит дольше, чем в случае ModBus RTU, т.к. дополнительное время уходит на открытие и закрытие сеанса TCP/IP. Однако, это даёт возможность объединить устройства находящиеся на значительном удалении витой парой или даже по WiFi.

Кроме того, протокол ModBus TCP может использоваться в сетях со шлюзом, где шлюз является интеллектуальным устройством и маршрутизирует сообщения остальным устройствам сети ModBus.

При такой конфигурации клиент сети TCP (он же мастер сети ModBus) подключается к шлюзу (серверу) и ведёт общение только с ним. Шлюз же переадресует сообщение внутри шины ModBus (RTU или ASCII) тому устройству, адрес которого указан в ModBus-пакете.

Структура пакета ModBus TCP

Сначала вспомним структуру классического ModBus-пакета (RTU или ASCII):

Он состоит из четырёх блоков: адрес слейва, номер функции, блок данных и блок контроля чётности.

А вот так выглядит структура пакета ModBus TCP:

Как вы можете видеть, в пакете ModBus TCP по сравнению с ModBus RTU добавлены блоки идентификаторов обмена и протокола, а так же от отсутствует блок контроля подлинности пакета. Последнее объясняется тем, что контроль целостности пакета обеспечивается средствами протокола TCP/IP, поэтому отпадает необходимость в его ModBus-реализации.

Рассмотрим что означает каждый из блоков пакета ModBus TCP:

• id обмена — чаще всего два нуля. Применяется только в том случае, если мастер отсылает подчинённому устройству несколько запросов подряд без ожидания ответа. При этом id позволяет затем понять какому из запросов какой ответ соответствует.
• id протокола — всегда нули, не применяется. Поле оставлено в качестве резерва для будующих применений.
• длина пакета — совокупная длина блоков «адрес», «номер функции» и «данные». Длина пакета передаётся двумя байтами, первым из которых идет старший.
• адрес ведомого устройства — аналог такого же блока в структуре пакета ModBus RTU, но обычно не используется, т.к. ,как уже говорилось, в ModBus TCP мастер и так открывает сеанс обмена только с одним слейвом (у которого, конечно, есть и IP адрес в сети TCP/IP). Данное поле используется только в варианте ModBus TCP-сети со шлюзом. Тогда шлюз сам перенаправляет пакет по указанному адресу.
• поля код функции и данные аналогичны соответствующим полям в классическом ModBus-пакете.

Структура сообщения протокола Modbus имеет следующий вид:

1. адрес ведомого устройства – это адрес устройства, которому адресовано данное сообщение протокола Modbus. Устройства отвечают только на те сообщения, которые адресованы именно им. Ответ начинается с адреса ведомого устройства. Адрес изменяется в пределах 1…247. Адрес 0 в сообщении протокола Modbus зарезервирован под широковещательные сообщения, 248..255 – зарезервированные адреса.
2. номер функции – 1 байт данных.
3. данные – это поле содержит информацию о функции, которую нужно выполнить, либо данные, которые ведомое устройство посылает мастеру протокола Modbus.
4. блок обнаружения ошибок (CRC) – контрольная сумма, которая вычисляется со всех предыдущих байт путем алгоритма циклического сдвига и побитового исключения.

Необходимо обратить внимание, что при чтении по протоколу Modbus в одном сообщении можно считывать значение дискретных или аналоговых входов и выходов, расположенных подряд, то есть задать адрес первого значения и их количество.

Рассмотрим основные стандартные функции по их кодам (в десятичном и шестнадцатеричном формате):
1 (0х01) – чтение нескольких дискретных выходов
2 (0х02) - чтение нескольких дискретных входов
3 (0х03) - чтение нескольких промежуточных регистров или аналоговых выходов
4 (0х04) – чтение нескольких аналоговых входов
Если, например, количество дискретных входов, которые сформированы в запросе, не кратно восьми, то количество байт значений округляется в большую сторону и, соответственно, для получения, например, значений 15 дискретных входов, это количество будет равно двум байтам.
Перед данными сообщения Modbus передается один байт, значение которого - количество байт данных.
5 (0x05) - запись значения одного дискретного выхода
6 (0x06) - запись значения одного аналогового выхода или регистра
Команда Modbus состоит из адреса и собственно значения (2 байта). Нормальный ответ – повтор запроса протокола Modbus.
15 (0x0F) - запись значений в нескольких дискретных выходов
16 (0x10) - запись значений нескольких аналоговых выходов или регистров
Ответ состоит из начального адреса регистра и количества измененных значений.
Пример запроса/ответа протокола Modbus:

Ошибки при передаче делятся на 2 типа – искажение при передаче и логические. Искажение отслеживается по времени «тишины». Нормальное время между сообщениями – время, необходимое на передачу 3,5 символов. Если во время передачи сообщения протокола Modbus возникла пауза длинной более 1,5 символа, пакет отбрасывается.

Логические ошибки протокола Modbus возникают, если slave не может принять сообщение вообще, либо принимает его, но выдает ошибку. В таком случае ошибка диагностируется по тайм-ауту. Slave принимает запрос, но не может его обработать (к примеру, обращение к несуществующему адресу) – в таком случае отсылается сообщение об ошибке.

Пример сообщения Modbus об ошибке на запрос:

Стандартные коды ошибок протокола Modbus:
01 -Функция не может быть обработана на slave.
02 - Несуществующий адрес данных.
03 - Значение в поле данных для запроса, является недопустимым для salve.
04 - Произошла необратимая ошибка, пока slave пытался выполнить действие.
05 - Slave принял запрос и начал обрабатывать его, но на это потребуется время. Этот код предохраняет master от выдачи ошибки тайм-аута.
06 - Slave занят обработкой команды.Master должен повторить посылку сообщения позже, когда slave будет свободен.
07 -Slave не может выполнить функцию из запроса. Master должен послать запрос об диагностической информации или получить информацию об ошибках со slave.
08 - Slave пытается считать область памяти, но при этом обнаружена ошибка паритета. Master может повторить запрос, но обычно в таких случаях требуется ремонт.

Структура кадра Modbus TCP:

Где:
ID транзакции - два байта
ID протокола - два байта (четыре нуля)
длина пакета - два байта, размер последующих полей сообщения
адрес ведомого устройства - адрес slave, которому адресован запрос протокола Modbus.
Особенность протокола Modbus TCP – отсутствие контрольной суммы, так как на транспортном уровне протокола TCP происходит проверка CRC. Поэтому проверка контрольной суммы в формате RTU не имеет смысла.

В этой статье я попытаюсь рассказать как устроен протокол Modbus , какие данные он может хранить, в каком виде они могут храниться, как они могут быть считаны. Эта статья даст представление о том, что же такое Modbus протокол и как он может применяться.

Адресация данных в Modbus протоколе

Для хранения информации в ведомых устройствах (slave device ) используются 4 таблицы (или массива). Каждая таблица хранит информацию для схожих переменных в регистрах. Каждый регистр имеет свой размер и адрес. Так же регистры могут быть только для чтения, или для чтения – записи. Давайте рассмотрим эти 4 типа данных, которые можно хранить в регистрах:

COILS

Это цифровые выходы (Digital Outputs ). Каждый coil можно записать или считать. Его размер – 1 бит (т.е. 0 или 1). Исторически эти регистры связаны с реальными цифровыми выходами на сенсорах или терминальных устройствах. Цифровые выходы используются для управления, например светодиодами, реле или моторами. Т.е. записывая в такой регистр 1 мы можем включить светодиод, а записав 0 – выключить его (это условно, на самом деле 0 может включать, а 1 – выключать).

При чтении данного регистра мы можем узнать состояние выхода (т.е. включен он или выключен). Результат чтения так же 1 бит, т.е. 1 или 0.

CONTACTS

Это цифровые входы (Digital Inputs ). Цифровой вход можно только читать, т.е считывая данный регистр мы узнаем состояние реального цифрового входа на сенсоре или устройстве. Цифровые входы используются для контроля состояние – например, включен свет или выключен, достигла жидкость нужного уровня или нет, включено реле или нет, и т.д.

ANALOG INPUT REGISTERS

Под этим обычно имеются в виду аналоговые входы (Analog Inputs ). Аналоговые входы можно только читать, т.е их нельзя записывать, а можно только считать текущее состояние налогового входа. Обычно аналоговые входы применяются на сенсорах для измерение некоторых значений: входного тока или входного напряжения. Затем, полученное значение можно конвертировать в некоторую реальную величину, например в температуру, влажность воздуха, давление или еще что то. Для этого используются специальные формулы, которые идут вместе с сенсором. Но чаще сенсор сразу возвращает реальное значение. Например, сенсор измеряющий температуру, может возвращать измеренное значение как градусы по Цельсию умноженные на 10. Т.е. 253 означает 25.3°С. Этот прием часто используется, если нужно вернуть дробные значения через целочисленный регистр.

ANALOG OUTPUT HOLDING REGISTERS

Под этим обычно имеются в виду аналоговые выходы (Analog Outputs ) но так же часто просто регистры, которые хранят некоторые значения, которые можно как записывать, так и считывать. Т.е. эти регистры можно как читать, так и писать. Наиболее часто используются для записи DAC устройств (Digital to Analog Converter) или просто как регистры, хранящие некоторые значения. DAC часто используются для управления чем либо, например: яркостью свечения светодиода, или громкостью сирены, или скоростью вращения двигателя.

Эти регистры 16 битные, т.е. каждый регистр может хранить всего 2 байта.

Вот эти четыре типа регистров поддерживаются в стандартном Modbus . И используя только их, нужно строить систему. Если взглянуть с точки зрения конечного устройства (slave device), то регистры логичнее всего использовать для следующих нужд:

Coils – для управления устройствами через цифровые порты вывода или булевыми флагами типа включен/выключен, открыт / закрыт и т.д.

Contacts – для хранения значений булевых флагов или для отображения информации с цифровых входов.

Inputs –для значений, которые нужно только читать на стороне мастера, и которые могут быть представлены как 16 битные целые числа. Например, входы ADC, или какие о значения, генерируемые системой которые нужно читать (например количество запущенных процессов или внутренняя температура устройства может быть считана через некий Input регистр)

Holding – эти регистры можно использовать для хранения конфигурации устройства, для управления DAC устройствами, для хранения некоторой служебной информации. В принципе, эти регистры можно использовать для чего угодно, на что хватит фантазии разработчика системы.

Кроме того, каждый регистр в схеме Modbus может иметь уникальный адрес, который определяется типом регистра. Посмотрите таблицу ниже:

Как видно из таблицы, каждый тип регистров может вмещать максимум 9999 регистров. Но все они начинаются с некоторого смещения: 0, 10000, 30000, 40000.

На самом деле, внутри команд протокола Modbus , используется не полный адрес, а только его смещение относительно базового адреса. Т.е. для всех типов регистров реальный адрес внутри команды будет 0 -9998. А команда определяет какой именно базовый адрес может быть использован.

Проще всего представить себе, что устройство хранит 4 массива элементов по 9999 элементов в каждом. Индекс внутри массива – это и есть адрес, который задается внутри команды. А команда определяет, какой массив нужно использовать.

Если внимательно посмотреть на таблицу, то видно, что при желании можно использовать больше адресов для Holding регистров: 40001 – 105537, т.е. всего 65535 регистров. То же самое для Contacts : 10001 – 29999, т.е. всего 19999. Это так называемые расширенные регистры. Они не поддерживаются стандартными Modbus устройствами. Поэтому, если вы хотите, что бы ваше устройство могло работать со стандартными клиентами, то не нужно использовать расширенные регистры.

Но если вы уверены, что ваше устройство будет работать с вашим мастером, который знает как работать с расширенными регистрами, или вы точно знаете, что мастер устройство, которое будет использоваться для вашего продукта знает о расширенных регистрах, тогда используйте их.

Выше мы разобрались, как адресуются регистры внутри устройства. Теперь посмотрим, как адресуются сами устройства.

Адресация Modbus устройств

Для адресации устройств используется специальный идентификатор, который называется Slave Id . Это однобайтное значение, которое определяет уникальный адрес устройства на всей сети Modbus . По стандарту Modbus это может быть число от 1 до 247. Т.е. всего в сети может находиться 247 конечных устройств (slave device) с уникальными адресами.

Когда мастер посылает команду в сеть, первый байт – это Slave Id . Это позволяет устройствам уже после первого байта определить, должны они обрабатывать команду, или могут ее проигнорировать. Это справедливо для Modbus RTU . Для Modbus TCP протокола используется Unit Id значение. Хотя если разобраться, это просто другое название Slave Id . Unit Id – это так же однобайтный адрес устройства, от 1 до 247.

Это очень сильно ограничивает количество устройств, которые одновременно могут находиться в сети. Поэтому есть вариант, когда используется 2 байта для адресации устройств. В таком случае количество устройств увеличивается до 65535. Этого более чем достаточно. Но есть одно условие. Мастер и Конечное устройство должны использовать 2 байте для адресации. Т.е. они должны быть настроены, что бы использовать одинаковую схему адресации устройств: 1 или 2 байта. Так же, все устройства в сети должны использовать ту же самую схему адресации – 1 или 2 байта. Не может быть в сети устройств с разной схемой адресации.

Функции Modbus

Для того, что бы запросить данные или записать их, мастер должен указать функции, которую он хочет исполнить на конечном устройстве. Все доступные функции в стандартном Modbus протоколе приведены ниже:

Каждая функция будет рассмотрена позже, подробно и с примерами.

CRC 16 как способ избежать ошибок

Каждая команда в Modbus RTU протоколе заканчивается двумя байтами, которые содержать CRC16 значение всех байт команды. Добавление CRC16 позволяет найти поврежденные запросы и игнорировать их. Так как для вычисления контрольной суммы используется каждый байт в команде, то даже изменение одного бита в любом байте вызовет расхождение в переданной контрольной сумме и вычисленной на основе полученных байт. Это достаточно надежный способ обезопасить передаваемые данные от повреждений (имеется в виду, найти поврежденные данные). Клиент, как и мастер, должны проверять CRC16 из полученной команды с CRC16 сгенерированным на основе полученных байт. Если контрольные суммы не совпадают, значит полученный запрос содержит поврежденные байты, что искажает смысл посланной команды. Такая команда должна быть проигнорирована.

Нужно заметить, CRC16 не используется в Modbus TCP протоколе. Так как TCP пакеты уже имеют свою встроенную контрольную сумму и проверяются на целостность данных, нет никакой необходимости для вычисления CRC16.

Еще в одной разновидности Modbus протокола, Modbus ASCII , используется LRC (Longitudinal Redundancy Check) вместо CRC16. LRC намного проще чем CRC16 и результатом является 1 байт. LRC менее надежно для детектирования ошибок повреждения данных, но исторически так сложилось что Modbus ASCII использует именно этот метод.

О том, как вычислять CRC16 для Modbus RTU протокола и LRC для Modbus ASCII протокола, я напишу отдельно.

Типы данных, которые хранятся в регистрах.

Поговорим о том, какие данные могут храниться в регистрах. Самый простой случай – это Coil и Contac регистры. В этих регистрах может храниться 1 бит информации – 0 или 1. Когда мастер читает эти регистры, он получает в результате 0 или 1. Для записи регистров используются специальные константы:

0xFF00 – означает логическую 1

0x0000 – означает логический 0

Если используется команда для записи нескольких регистров, то каждый регистр будет записан при помощи 1 бита: 0 или 1.

Все остальные регистры – это 16 битные данные (2 байта)

И вот тут самое интересное.

Интерпретация данных должна быть задана в описании Modbus регистров (так называемом Modbus Map документе). В этом документе нужно точно прописать, какой регистр хранит какие джанные, и какие значение для него приемлемы.

Начнём с простых случаев.

Если мы считываем 1 Input или Holding регистр, то мы получаем 16 бит данных. Например, это может быть значение 0x8D05 – два байта 0x8D и 0x05 .

В самом простом случае это может быть без знаковое целое значение: 36101

Но это может быть целое число со знаком: -29435

Другой пример. Мы прочитали значение 0x4D4F

Это может быть как целое без знака, целое со знаком, так и 2 символа в кодировке ASCII:

0x4D = M

0x4F = O

Теперь случай поинтереснее. Комбинируя несколько регистров вместе, мы можем хранить типы данных, размер которых больше 16 бит.

К примеру, мы прочитали 2 регистра, и получили следующие данные: 0xAE53 0x544D

Это может быть:

32 битное целое без знака

0xAE53 0x544D = 2924696653

32 битное целое со знаком

0xAE53 0x544D = -1370270643

32 битный float – число с плавающей точкой

0xAE53 0x544D = -4.80507e-11

Или хранить 4 символа в кодировке ASCII

0xAE53 0x544D = 0xAE 0x53 0x54 0x4D = ®STM

Если продолжать, то комбинируя больше регистров, можно хранить 64 битные значения, 128 битные значения, строки и в принципе любые типы данных.

Но, комбинируя регистры, у нас встает следующий вопрос:

Порядок байт и слов

К сожалению протокол Modbus не определяет как должны храниться байты внутри регистра. Т.е. различные устройства от различных производителей могут хранить байты в произвольном порядке.

Например, читая регистр, мы получили значение 0xA543

В зависимости от того, в каком порядке хранились байты в исходном регистре, это могут быть два абсолютно разных значения:

Если использовался Big Endian формат (старший байт первый), то у нас будет значение 42307

Но если использовался Little Endian формат (младший байт первым), то у нас будет значение 17317

Еще интереснее, когда мы формируем 32 битное значение из двух регистров.

Вариантов комбинации байтов становится 4. К примеру 32 битное число 4014323619 (0xEF45B7A3 ) может быть передано 4 следующими последовательностями байтов:

0xEF45 0xB7A3

0x45EF 0x A3B7

0xB7A3 0xEF45

0x A3B7 0x45EF

На самом деле это не важно, какой порядок байт / слов реализован на конечном устройстве. Главное, мастер должен знать этот порядок, и уметь формировать правильные значения из полученных байтов. Зная точный формат данных на конечном устройстве, мастер всегда будет правильно формировать значения регистров. И именно для этого существует такое понятие как Modbus Map (Карта Modbus ).

Modbus Map

Modbus Map – это документация, которая полностью описывает все возможные Modbus регистры на устройстве, их адреса, назначение, доступные значения, значения по умолчанию, способ доступа.

Некоторые устройства поставляются с фиксированным описанием регистров. Т.е. список регистров, их адресов, хранимых данных и т.д. жестко задан производителем и описан в документации.

А есть настраиваемая конфигурация. Т.е. на устройстве нет фиксированных адресов для регистров. Пользователь может сконфигурировать Modbus Map так, как ему нужно (например соединив некоторые регистры в непрерывную последовательность адресов, что бы считывать их одной командой).

Пример фиксированного Modbus Map , который имеет смысл применять для своих устройств, может выглядеть так, как в таблице ниже.

Чего не может Modbus

Modbus очень простой протокол, поэтому он поддерживает далеко не все, что может потребоваться.

Modbus не поддерживает сообщения (events). Т.е. конечное устройство не может послать сообщение мастеру. Только мастер может опросить конечное устройство.

Modbus не поддерживает чтение исторических данных (накопленных за некоторый промежуток времени). Хотя это ограничение можно легко обойти, создав командные регистры, регистры адреса и перегружаемые регистры. Это будет обсуждаться в одной из следующих статей.

Стандартный Modbus не может хранить сложные структурированные данные (по крайней мере это не так просто реализовать).

Кроме того, Modbus не поддерживает идентификации и шифрования. Т.е вся коммуникация идет в незащищённом режиме. Хотя, при некотором желании можно реализовать некоторое подобие идентификации в Modbus TCP в большинстве случаев это сделать невозможно. Есть некоторые варианты как защитить данные от несанкционированного доступа и изменения, но они все не очень надежные (хотя и могут применятся). Я опишу их в следующих статьях.

И кажется, это все явные недостатки для этого протокола. В остальном он очень прост и отлично подходит для простых систем мониторинга, которые должны следить за некоторыми показателями системы и предоставлять доступ к ним через чтение регистров.

В следующей статье мы рассмотрим все основные функции, которые поддерживаются протоколом Modbus .

Интерфейс RS-48

Стандарт ANSI TIA/EIA-485, более известный как RS485, определяет сбалансированный способ надёжной передачи данных на длинные расстояния в условиях промышленных помех. Также стандарт определяет топологию сети и описывает способы согласования полного сопротивления линии интерфейса и предоставляет результаты лабораторных тестов.

Физически, интерфейс RS485 является дифференциальным, обеспечивает многоточечные соединения и позволяет передавать и принимать данные в обоих направлениях.

Упрощённо, сеть интерфейса RS485 представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов (см. рис. 2.1).

Типовая разница напряжений между линиями A и B передатчика равна 3В, минимальная 1.5В, максимальная 5В.

Разница напряжений между линиями A и B на приёмнике должна быть не менее 0.2В и абсолютная разница потенциалов относительно общего провода должно быть в диапазоне (-7…+12)В.

Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Максимальная скорость связи прибора по интерфейсу RS485 может достигать нескольких Мбод. Максимальное расстояние - 1200 метров. Если необходимо организовать связь на расстоянии больше чем 1200 метров или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры). Типовое правило для расчёта максимальной длины линии связи таково: произведение скорости передачи в бодах на длину в метрах должно дать результат не более чем 108.

При значительных расстояниях между устройствами, связанными по витой паре или высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Электромагнитный сигнал имеет свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Фронт сигнала, отразившийся от конца линии, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно подавлять эффект отражения.

Существуют стандартные решения этой проблемы (R, RC - терминаторы). У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв. Оно зависит от характеристик используемого кабеля и не зависит от его длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар волновое сопротивление Zв составляет (90-120) Ом. Рассмотрим варианты:

1. Если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номинальным омическим сопротивлением равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до ≪тупика≫ поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия - согласующий резистор или ≪терминатор≫ . Помимо достоинств этого метода (повышение скорости, увеличение длины и подавление отражений), есть и недостатки (дополнительная нагрузка на драйверы повышает энергопотребление, остальные ответвления линии продолжают вносить искажения, драйвер приёмника находится в неоднозначном состоянии: либо режим ожидания, либо режим приёма).
2. Если на удалённом конце вместо резистора установить RC цепочку R=(90-120) Ом, С=1000 пФ, то можно устранить проблему повышенного энергопотребления и проблему неопределённости драйвера приёмника (для приёмников с функциями open-line и failsafe). Но из-за постоянной времени RC цепи, максимальная скорость передачи и длинна линии будут меньшими.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи (топология сети). Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики (гирлянда). Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения. В оба наиболее удаленных конца кабеля включают терминаторы. Калибр витой пары достаточно не более AWG24.

Следует также сказать, что к линии интерфейса все устройства подключаются через специализированные микросхемы (драйверы интерфейса RS485). Они могут быть разных производителей и с различными техническими параметрами и как следствие различной стоимости. Эти драйверы в значительной степени могут определять эксплуатационные свойства приборов: дальность передачи, количество приборов в одном участке сети и надёжность передачи.

Протокол MODBUS

MODBUS - это протокол уровня приложений (уровень 7 модели OSI), что обеспечивает связь между устройствами, соединёнными различными каналами связи и сетями.

Де-факто, MODBUS является стандартом в сетях промышленного назначения с 1979 года. Он обеспечивает связь миллионам устройств во всём мире, в том числе и через Интернет. Есть различные реализации протокола:

• Для асинхронных беспроводных, оптических и проводных каналов связи (RS-232, RS-485, RS-422)
• Для TCP/IP (порт 502) через интернет
• MODBUS-PLUS - для высокоскоростных сетей с передачей меток (high speed token passing network)

Кроме того, разнородные участки сетей могут объединяться шлюзами (специальными конверторами).

Для асинхронных последовательных каналов связи существует две реализации MODBUS-SERIAL-LINE протокола МODBUS-RTU и MODBUS-ASCII (уровень 1 и 2 модели OSI). Разница между ними заключается в способе кодировки данных, способе синхронизации фреймов, и алгоритме обеспечения целостности данных. В нашем случае, в сети RS485 обмен данными реализован посредством протокола MODBUS-RTU. Далее по тексту будем рассматривать ситуацию только в этом аспекте.

MODBUS-SERIAL-LINE протокол - это протокол типа MASTER-SLAVE (протокол запросов-ответов). Ведущий в сети (MASTER) всегда один. Каждый подчинённый (SLAVE) должен иметь уникальный номер 1-247. Адрес 0 - это широковещательный запрос, адресованный сразу всем подчинённым. Таким образом, логически в одном участке сети может быть до 248 устройств (включая MASTER). Каждый запрос содержит код функции. Под MODBUS функциями понимают определённые сервисы предоставляемые подчинёнными ведущему. Таким образом, роль клиента играет MASTER, а роль сервера, с определённым набором функций-сервисов, SLAVE.

Функции протокола MODBUS

Каждый SLAVE может содержать уникальный набор функций-сервисов, но есть и ряд стандартных функций, которые подробно описаны в документе (www.modbus.org ). Также полезная информация может быть найдена в документе “MODBUS over serial line specification and implementation guide” (www.modbus.org ).

Поддерживаемые нами функции (см. табл. 4.1 - 4.2).

В более ранних версиях приборов (до 2010г) были реализованы лишь пользовательские функции, но со временем стало понятно, что для обеспечения совместного использования приборов с ПЛК (минуя ПК) необходимы и стандартные функции.

Будьте внимательны и обратите внимание на то, что стандартные функции оперируют только со словами (16-бит) и в формате big-endian, но при этом формат контрольной суммы CRC16 little-endian! Поэтому, для исключения разночтений в описании протокола MODBUS, в части порядка следования байт контрольной суммы CRC16, стоит пользоваться нехитрым правилом: правильно посчитанная контрольная сумма неповреждённого пакета (с участием 2-ух последних байт CRC16) всегда равна нулю.

Правильный запрос: CRC16 (1 104 0 0 8 0 103 195) = 0

Неверный запрос: CRC16 (1 104 0 0 8 0 195 103) <> 0

Стандартные функции (см. таб. 4.1) подробно описаны в документе “MODBUS Application Protocol Specification” (www.modbus.org ).

Функция 108 «Служебные команды» имеет следующие коды подфункций (см. таб. 4.8).
Подфункции, возвращающие какие-либо данные, имеют префикс GET. Подфункции, не возвращающие данных, не содержат поля данных и, при удачном выполнении, возвращаются эхом.

Подфункции 1 и 2, возвращающие номер тома всегда возвращают 4-х байтное значение типа DWORD.

Подфункции 3 и 4, возвращающие номера страниц могут возвращать как 2-х байтные (WORD), так и 4-х байтные (DWORD) значения, в зависимости от модели прибора.

Карты распределения памяти приборов

В следующих таблицах представлены карты распределения памяти приборов. Следует отметить тот факт, что в стандартных MODBUS функциях размеры типов данных могут отличаться от типов данных пользовательских функций (в большую сторону) в случае, если размер типа данных не кратен типу WORD (2 байта).

Порядок следования байт указан в столбце Order. Обозначение BE соответствует порядку big endian, а LE - little endian.

Операции, доступные для данной переменной, указываются в последнем столбце rw (read-write). R - разрешается только чтение, W - разрешается только запись, RW - разрешается, как чтение, так и запись.

Массивы обозначены словом array, а количество элементов массив указано в квадратных скобках [n].

Однофазный прибор OMIX измеряет 7 параметров качества электроэнергии, в массивах памяти (array) они расположены в следующем порядке -напряжение, -ток, - частота, - полная мощность, - активная мощность, - реактивная мощность, - cos(Φ).

• Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits, ANSI/TIA/EIA-422-B-1994, Telecommunications Industry Association, 1994
• Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems, ANSI/TIA/EIA-485-A-1998, Telecommunications Industry Association, 1998
• Application Guidelines for TIA/EIA-485-A, TIA/EIA Telecommunications Systems Bulletin, Telecommunications Industry Association, 1998
• A Comparison of Differential Termination Techniques, Joe Vo, National Semiconductor, Application Note AN-903
• Data Transmission Design Seminar Reference Manual, 1998, Texas Instruments, literature number SLLE01
• Data Transmission Line Circuits Data Book, 1998, Texas Instruments, literature number SLLD001
• MODBUS Application Protocol Specification
• MODBUS over serial line specification and implementation guide

ООО «Автоматика» 2012

Пришло время рассмотреть еще одну вариацию протокола Modbus – Modbus ASCII . Эта версия протокола использует для передачи данных только символы ASCII, которыми кодирует шестнадцатеричное представление бинарных данных. Немного не понятно и запутано? Это ничего, welcome под кат и давайте рассмотрим, с чем же мы имеем дело.

Разделитель пакетов

Первое отличие протокола Modbus ASCII от Modbus RTU – у него есть разделитель между пакетами. Если в Modbus RTU все пакеты шли один за одним (практически, там должна быть небольшая задержка на линии между пакетами, порядка 2-5мс), то в Modbus ASCII каждый новый пакет должен начинаться со специального символа разделителя.

По стандарту Modbus RTU между пакетами нужна задержка в 3.5 символа (это время, которое нужно для передачи 3.5 символов по линии связи, зависит от скорости передачи). Эта задержка используется, что бы детектировать новый запрос от мастера. Т.е. эта задержка указывает начало нового запроса. Но когда стали использовать модемы, это перестало работать. На модеме невозможно выдержать нужное время. Поэтому решили использовать новый вариант протокола — Modbus ASCII . Этот вариант устраняет многие неудобства при работе с модемом: есть специальный символ разделитель пакетов и используются только видимые символы ASCII.

Так вот, таким символом начала пакета служит символ двоеточие с шестнадцатеричным кодом 0x3A . А конец каждого пакета помечается символами новой строки и перевода каретки – 0x0D 0x0A . Таким образом, из протокола полностью убирается зависимость от задержек между байтами. Т.е. если модем задержит байт, это не вызовет недопонимания на стороне клиента. И он будет ждать окончания пакета байтами 0x0D 0x0A . А если встретит символ разделителя 0х3А – сбросит буфер и начнем формировать пакет заново. Кроме того нет необходимости в экранировании спец символов модема, так как данные не используют символы из начальной секции ASCII таблицы.

Представление байтов данных

В Modbus ASCII протоколе каждый байт данных представлен в виде 2 байтов. Каждый байт представляет собой ASCII символ в шестнадцатеричном представлении. Что бы легче было понять, приведем пример:

Немного объяснений для таблицы.

Например, нам нужно передать байт данных, который хранит символ # . Этот символ имеет в таблице ASCII шестнадцатеричный код 0x23 . В протоколе Modbus RTU мы просто передаем байт со значением 0x23 .

Если мы хоти передать тот же символ через протокол Modbus ASCII , нам нужно уже передавать 2 байта. На первом этапе мы получаем шестнадцатеричный код символа, 0x23 . На втором этапе мы кодируем это значение при помощи двух символов ASCII – 2 и 3 . И на третьем этапе мы передаем два байта данных, первый — это шестнадцатеричное значение символа 2 , второй байт — это шестнадцатеричное значение символа 3 .

Таким образом, диапазон значений для байта данных в протоколе Modbus RTU – 0 .. 0xFF

Диапазон значений для байта данных в протоколе Modbus ASCII – только символы, необходимые для отображения шестнадцатеричных цифр, т.е. 0 – 9, A, B, C, D, E, F (все заглавные).

Контрольная сумма для Modbus ASCII

В протоколе Modbus RTU используется 2 байтная контрольная сумма, которая помогает детектировать поврежденные запросы. В протоколе Modbus ASCII так же есть контрольная сумма – LRC (Longitudinal Redundancy Check) .

Вычисление LRC намного проще, чем вычисление CRC . Что бы высчитать LRC вам нужно сделать следующие:

• Сложить вместе все байты в сообщении Modbus ASCII , до того, как они сконвертированы в в символы ASCII. Не включаются в вычисления стартовый символ двоеточия и завершающие символы CR/LF .
• Обнулить все биты больше 8 (т.е. оставить младший байт)
• Сделать результирующий байт отрицательным чтобы получить LRC байт

Таким образом, если затем сложить все байты пакета данных и байт LRC мы получим в результате 0. Это и есть самая быстрая проверка корректности пакета данных.

Ниже приведен пример вычисления LRC для конкретного запроса Modbus ASCII .

Для примера возьмем запрос на чтение регистров #40108 — #40110 с устройства с адресом 17

Теперь посчитаем сумму всех байт

Вот это отрицательное число (-130 или 0x7E ) и есть LRC запроса.

Эта контрольная сумма добавляется к запросу в виде 2 ASCII символов – 7 и E .

Т.е. в конце запроса нужно добавить 2 байта со значением 37 и 45 .

Примеры Modbus RTU и Modbus ASCII запросов

Что бы лучше понять, как все это работает, посмотрите пару простых примеров.

Возьмем наш запрос на чтение регистров #40108 — #40110 с устройства с адресом 17

Это Modbus RTU запрос без последних двух байтов CRC . Теперь преобразуем этот запрос из Modbus RTU в Modbus ASCII . Для этого добавляем в начало запроса символ двоеточия, в конец запроса символ перевода строки и возврата каретки, а каждый байт представим в виде ASCII символов, соответствующих шестнадцатеричному представлению каждого байта запроса. В итоге у нас получиться такой запрос (в виде ASCII символов, или попросту в виде текстовой строки). Так же в конец запроса добавляем LRC .

Теперь просто нужно передать данный запрос в порт, используя коды ASCII символов. В бинарном виде запрос будет выглядеть так: