1、华中科技大学控制系测控所测控技术与系统测控技术与系统第九章 现场总线技术测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:392本章主要内容本章主要内容 现场总线概述现场总线概述1 现场总线举例现场总线举例MODBUS3 常用通信接口简介常用通信接口简介2测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3939.1 9.1 现场总线概述现场总线概述知识点知识点v 现场总线技术的知识点：1. 定义2. 发展过程3. 发展趋势4. 优点5. 归属范畴6. 现场总线与ISO/OSI网络模型7. 现场总线控制系统测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现
2、场总线技术现场总线技术20:3949.1.1 9.1.1 现场总线概述现场总线概述（1 1）定义）定义v（1）现场总线）现场总线(Field Bus)的定义的定义 “现场总线是连接智能现场设备智能现场设备和自动化系统自动化系统的数字式数字式、双向传输、多分支结构双向传输、多分支结构的通信网络通信网络” 现场总线以串行通信方式取代传统的420mA的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。v现场总线技术的现场总线技术的核心核心是其是其通信协议通信协议FF的定义基本基本概念概念测控技术与系统测控技术与系统第
3、九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3959.1.2 9.1.2 现场总线概述现场总线概述（2 2）发展过程）发展过程发展发展过程过程从人类语言文字的发展过程来看现场总线的发展过程从人类语言文字的发展过程来看现场总线的发展过程人类的进化人类的进化人类语言发展人类语言发展仪表的进化仪表的进化仪表语言发展仪表语言发展1猿猿无语言无语言早期仪表早期仪表无连接无连接2类人猿类人猿原始语言原始语言电气仪表电气仪表开关逻辑连接开关逻辑连接3古人类古人类象形文字象形文字电子仪表电子仪表模拟通信模拟通信4人类人类丰富的各族语言共丰富的各族语言共存存微机化仪表微机化仪表数字通信，现场总数字通信，现场总线多
4、种事实标准共线多种事实标准共存存5现代人类现代人类某些语言文字消亡，某些语言文字消亡，形成几种主流的语形成几种主流的语言，虽提出世界语言，虽提出世界语的需求但难以实现。的需求但难以实现。智能仪表智能仪表现场总线基金会成现场总线基金会成立，试图统一现场立，试图统一现场总线，但最终还是总线，但最终还是通过了多种标准通过了多种标准（2 2）现场总线发展过程）现场总线发展过程测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:396v 现状：现场总线未能形成一种统一的国际标准 主要有两方面原因： 一是技术方面的原因，由于现场总线是应用于现场过程控制的通信网络，涉及到许多底层设备的不
5、同行业标准和用户习惯的继承，以及不同类型网络互连的协议制定； 另一方面是商业利益，各厂家都希望自己的技术在标准中占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益，互不相让，导致了目前多种现场总线共存的局面。9.1.2 9.1.2 现场总线概述现场总线概述（2 2）发展过程续）发展过程续测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3979.1.2 9.1.2 现场总线概述现场总线概述（2 2）发展过程续）发展过程续v现场总线标准大事记现场总线标准大事记20世纪70年代：现场总线技术萌芽20世纪80年代：现场总线标准开始发展20世纪90年代初：形成几种较有影响的标准199
6、4-1995年：现场总线基金会(FF)成立2000.1.4：IEC TC65通过IEC61158决议，规定了8种现场总线国际标准，后来又由其他标准化组织通过了3种现场总线*IEC:国际电工委员会 International Electro-techincal commission*FF:Fieldbus Foundation测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3989.1.2 9.1.2 现场总线概述现场总线概述（2 2）发展过程续）发展过程续国际国际现场现场总线总线标准标准IEC61158决议 （最新版2007年发布，共有20种现场总线标准）类型1 FF
7、H1FF基金会低速总线类型2Control Net 美国Rockwell公司 类型3Profibus 德国西门子公司 类型4P-Net 丹麦Process Data 类型5FF HSE FF基金会高速总线类型6Swift Net 美国波音公司 类型7World FIP 法国Alston公司 类型8Interbus 德国Phoenix contact公司 IEC62026-1决议 类型9SDS 智能分布系统 类型10ASI执行器传感器接口 类型11Device Net 设备网络 ISO11898决议 类型12CAN 德国Bosch公司 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总
8、线技术20:3999.1.2 9.1.2 现场总线概述现场总线概述（2 2）发展过程续）发展过程续12种种国际国际现场现场总线总线标准标准v另外一种不得不说一下的现场总线：另外一种不得不说一下的现场总线： HART总线总线vHART总线是模拟信号标准和现场总线之间的一种过渡性协议vHART总线通过在420mA信号上叠加交流载波信号进行数字通信，从而能在保证传统模拟信号兼容的基础上，具有现场总线的优势。vHART总线还将在较长的时间广泛的存在测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39109.1.3 9.1.3 现场总线概述现场总线概述（3 3）发展趋势）发展趋势
9、发展发展趋势趋势v（3 3）现场总线的发展趋势）现场总线的发展趋势 与以太网的融合与以太网的融合目前许多厂商已经开始将现场总线协议与EthernetTCPIP协议进行整合。包括：1、Control Net、Device Net和 EthernetIP 联合推出CIP(Control and Information Protoco1)；2、Foundation Field bus推出HSE HighSpeed Ethernet)；3、Profibus推出ProfiNetv 以太网网络以太网网络 供电问题供电问题测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39119.1
10、.4 9.1.4 现场总线概述现场总线概述（4 4）优点）优点优点优点v模拟信号（420mA）互连的缺点： 一对一结构；单向通信；抗干扰能力差 v现场总线的优点：（1）结构简洁，安装维护方便结构简洁，安装维护方便：一对N 结构， 双向通信，布线成本，设备管理（2）可靠性高：抗干扰能力强（3）信息集成能力强：设备信息，仪表参数，故障诊断，测控管一体化（4）互操作性和互用性：同标准仪表间（5）开放性：开放式互联网络（6）分散控制：控制功能分散到仪表，提高控制系统 整体可靠性（4）现场总线的优点）现场总线的优点测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39129.1.5
11、 9.1.5 现场总线概述现场总线概述（5 5）归属范畴）归属范畴归属归属范畴范畴v（5）现场总线的归属范畴： 现场仪表间的通信网络现场仪表间的通信网络。 现场总线是一种设备间完整的通信通道，包括物理层、数据链路和应用层等。 现场总线既有别于芯片内总线、芯片间总线、板间总线，也有别于控制系统的上层通信网络。测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39139.1.6 9.1.6 现场总线概述现场总线概述（6 6）与与ISO/OSIISO/OSI网络模型关系网络模型关系（6 6）现场总线与）现场总线与ISO/OSIISO/OSI参考模型的关系参考模型的关系v 现场总
12、线的要求：现场总线的要求：实时性实时性，可靠性可靠性v 现场总线的通信协议符合现场总线的通信协议符合ISO的的OSI参考模型：通常使用其中参考模型：通常使用其中的一、二、七层协议的一、二、七层协议用户X 用户Y第七层第七层 应用应用 应用应用第六层 表示 表示第五层 会话 会话第四层 传送 传送第三层 网络 网络第二层第二层 链接链接 链接链接第一层第一层 物理物理 物理物理通信通信协议协议测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3914管理集中 控制分散9.1.7 9.1.7 现场总线概述现场总线概述（7 7）现场总线控制系统）现场总线控制系统v 现场总线技术
13、发展带来控制系统结构的现场总线技术发展带来控制系统结构的变革变革： 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS：Fieldbus Control System)v 控制系统的发展历史：控制系统的发展历史：FCS控制分散更彻底集中控制独立控制 FCS系统系统 DCS系统系统 集中控制系统集中控制系统 单回路控制系统单回路控制系统（3 3）现场总线的发展趋势）现场总线的发展趋势 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3915DCS结构结构vDCS的三级结构：现场级、控制级和监控级操作站工程师站管理计算机控制站变送器变送器执行器执行器监控级控制级现场级.控制站变送器变
14、送器执行器执行器.标准现场信号和数据总线局域网9.1.7 9.1.7 现场总线概述现场总线概述（7 7）现场总线控制系统续）现场总线控制系统续测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3916FCS结构结构vFCS的两级结构:智能现场仪表、工作站H1H1H1H1H1H2H2. . . . . . . . . .现场智能化设备（可达124台）现场智能化设备（可达32台）现场智能化设备（可达32台）网桥现场总线协议 控制服务器工程师工作站操作员工作站维护员工作站图图 FF现场总线现场总线控制系统结构控制系统结构 9.1.7 9.1.7 现场总线概述现场总线概述（7 7
15、）现场总线控制系统续）现场总线控制系统续测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3917FCS的优的优势势vDCS：三级结构（现场仪表、控制站和操作站）vFCS：两级结构（智能现场仪表、工作站）v完成转变的两个关键因素： 现场总线现场总线和智能仪表智能仪表控制站的功能分散控制站的功能分散到智能仪表中，到智能仪表中，可靠性更高可靠性更高9.1.7 9.1.7 现场总线概述现场总线概述（7 7）现场总线控制系统续）现场总线控制系统续测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3918现状现状vDCS和FCS的应用现状：二者现阶段共存，共同
16、发展vDCS系统也扩展了现场总线接口，可以和部分现场总线设备互连v一些现场总线设备除具有现场总线接口外，也具有420mA模拟信号标准9.1.7 9.1.7 现场总线概述现场总线概述（7 7）现场总线控制系统续）现场总线控制系统续测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39199.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介v（1）通信接口的基本概念： 一般电子仪表电路系统的数字电路系统为TTL电平或CMOS电平。 在通信系统中，为了提高通信抗干扰性，一般具有特殊的电平设计和编码规则。 通信接口即指完成一般电路系统与完成一般电路系统与特定通信标准间的电平或（和）逻
17、辑转特定通信标准间的电平或（和）逻辑转换。换。测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39209.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介v这里补充介绍比较常用的两个物理层协议：RS232和RS485vRS232和RS485都是：美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，规定了其机械、电气、功能和过程特性测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39219.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介v二者的差别：二者的差别：RS232是：异步通信接口，点对点，短距离是：异步通信接口，点对点，短距离(15m)RS4
18、85是：半双工，是：半双工，1对对N，长距离（，长距离（1200m）v造成这种差别的主要原因是造成这种差别的主要原因是二者信号驱动和二者信号驱动和接收的方式接收的方式不同不同测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39229.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介单端驱动单端驱动单端接收单端接收RS232平衡驱动平衡驱动差分接收差分接收RS485负逻辑测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39239.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介vRS232电平转换 由于 RS232和RS485 的标准电平和 TTL (CM
19、OS) 电平不同，所以微机内部系统与RS232和RS485连接需要进行电平转换！RS232电平转换芯片测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39249.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介终端电阻终端电阻使能端使能端vRS485电平转换 问：问： 当总线上有两个当总线上有两个以上设备使能发以上设备使能发送会发生什么情送会发生什么情况？况？测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39259.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介v单片机的串口结构和操作 单片机的串口包括RXD、TXD和信号地三线，可以在电平转换后电平
20、转换后用RS232的三线连接方式和PC机进行通信。 单片机的串行通信通常是用硬件实现的硬件实现的。 发送数据时发送数据时：向串行寄存器送入数据后，硬件即可按照设定的数据格式和波特率串行发送数据。 接收数据时接收数据时：硬件自动接收串行数据，接收完一个数据后，将产生中断或设置相应的数据就绪标志。 单片机中通常不设计接收和发送缓冲区，所以当单片机中通常不设计接收和发送缓冲区，所以当接收到的数据不能及时处理的话，数据将会丢失。接收到的数据不能及时处理的话，数据将会丢失。 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39269.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介v
21、PC机的串口结构和操作1、PC机串口结构：机串口结构： PC机的串口包括有RS232的电平转换电路，其串口输出即RS232标准。 用串行接口芯片实现串行通信的协议，一般具有有接收缓冲区接收缓冲区和发送发送缓冲区缓冲区。2、 PC机串口操作：机串口操作： 主要工作都是在软件编程里。 在windows下可以有多种编程手段：文件读取法文件读取法、串口控件串口控件、多线程多线程设计设计等。 基本的操作方式可以采用查询方式查询方式或者消息驱动方式消息驱动方式(事件驱动方式事件驱动方式)。 需要注意的是，和其他软件编程不同的是，串口的数据发送和接收需要注意的是，和其他软件编程不同的是，串口的数据发送和接收
22、都是需要一定的时间的。都是需要一定的时间的。测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39279.2 9.2 常用通信接口简介常用通信接口简介vPC机通过RS232和RS485和仪表互连RS232互连RS485互连测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:39289.4 MODBUS9.4 MODBUS总线介绍总线介绍- -主要内容主要内容一、概述一、概述二、二、Modbus应用协议规范应用协议规范 三、三、Modbus协议在串行链路上的实现协议在串行链路上的实现四、四、Modbus协议在协议在TCP/IP简介简介测控技术与系统测控技
23、术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3929一、概一、概 述述q 1979年Modicon公司(现法国Schneider 的一部分)提出的Modbus，最初作为工业串行链路的事实标准q 1997年Schneider电气在TCP/IP上实现Modbus协议 q Modbus和Modbus TCP/IP也被IEC 61158国际标准承认为一种现场总线 q 2004年Modbus作为我国国家标准： 国家标准国家标准GB/T19582-2008GB/T19582-2008 “基于基于ModbusModbus协议的工业自动化网络规范协议的工业自动化网络规范” ” 测控技术与系统测控技术与
24、系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3930一、概一、概 述述q IANA委员会给施耐德电气公司分配了已为大家熟知的TCP 502端口，以专为Modbus协议保留，Modbus协议现在已经成为Internet标准。q Modbus TCP/IP是唯一个被分配到互联网端口的工业以太网 23 -Telnet 远程登录协议21 -FTP 文件传输协议161 -SNMP 简单网络管理协议25 -SMTP 简单邮件传输协议53 -DNS 域名解析服务110 -POP3 邮局协议80 -HTTP 超文本传输协议67 -BOOTPS 引导程序协议服务器502 -Modbus MODBUS TCP
25、端口 IANA:The Internet Assigned Numbers Authority互联网数字分配机构 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3931Modbus Modbus 协议协议 应用层协议应用层协议Modbus Plus Modbus Plus 协议协议 Modbus Modbus应用层协议，以及物理应用层协议，以及物理层和链路层的完整协议层和链路层的完整协议Modbus TCP/IP Modbus TCP/IP 协议协议 基于基于TCP/IPTCP/IP的的MODBUSMODBUS协议协议Modbus技术规范组成技术规范组成测控技术与系统
26、测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3932PLC controlModbus 应用层报文传输协议应用层报文传输协议Modbus协议为应用层报文传输协议应用层报文传输协议，仅定义了通讯消息结构，一个Modbus信息桢包括从机地址从机地址、功能码功能码、数据区数据区和数据校验码数据校验码。可使用RS232RS232、RS422RS422和和RS485RS485端口端口，可以使用光纤光纤、无线无线等媒质实现通讯，广泛应用在智能设备之间进行主、从方式通讯主、从方式通讯。Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它制定了消息域格局和
27、内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络地址网络地址、路由路径路由路径及错误检测错误检测的方法。 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3933Modbus PlusModbus Plus是一种典型的令牌环网典型的令牌环网，完整定义了通讯协议、网络结构、连接电缆（或者光缆）等方面的性能指标。网络
28、中的设备通过“令牌令牌”的方式实现数据的交换，严格定义了令牌的传递方式，数据校验以及通讯端口等方面的技术参数。Modbus plus总线协议是一种异步半双工通讯的对等网络协异步半双工通讯的对等网络协议议，物理接口为RS485RS485，通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤。在链路层，Modbus plus采用IEEE802.2逻辑链路控制协议和IEEE802.4令牌总线媒体访问控制协议。在应用层，Modbus plus采用Modbus的通讯协议，主要包括寄存器读写、开关量I/O等命令。Modbus协议在Modbus plus网络中使用时，要将传递的信息的内容进行相应的封装，封装格式有两种ASCIIAS
29、CII和RTURTU。Modbus plus可以采用双电缆结构，允许Modbus plus在两条独立的电缆上通讯，实现网络通讯线路的冗余备份，适合高可靠性的应用场合。测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3934Modbus TCP/IP由于Modbus主机/从机通信机理能很好地满足确定性确定性的要求，非常适合以太网中的客户机客户机/ /服务器服务器的通信机理。1996年施耐德公司推出了基于以太网基于以太网TCP/IPTCP/IP的的ModbusModbus协议协议，即为Modbus TCP/IP协议，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一种真正开放的
30、解决方案。施耐德公司的“透明工厂透明工厂”就是基于Modbus TCP/IP技术。目前Modbus TCP/IP已作为现场总线使用，在PLC设备中也内置网页服务器，使以太网的远程I/O设备具备了在网上浏览该远程在网上浏览该远程I/OI/O状态的功能状态的功能。在设备层、控制层和信息层中都可以采用Modbus TCP/IP技术，能在监控室或远程浏览连接到网络的所有设备和智能传感器。由于以太网已得到广泛地应用，技术成熟，设备成本低，使系统具有可延伸性可延伸性、灵活性灵活性和高性能价格比高性能价格比等特点。测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3935Modbus通
31、信栈通信栈 TCP 基于TCP的Modbus Modbus应用层 IP 以太网 物理层 Ethernet II /802.3 EIA/TIA-232或 EIA/TIA-485 主站/从站 物理层 MODBUS+ / HDLC 其它 其它 1. Modbus应用层协议应用层协议测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3936ModbusModbus是一种简单客户机是一种简单客户机/ /服务器应用协议服务器应用协议q客户机能够向服务器发送请求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，向客户机发送服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答应答1. Modb
32、us应用协议应用协议测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3937通用通用Modbus帧结构协议数据单元帧结构协议数据单元 (PDU)(PDU)Modbus是一个可选择部分使用的协议 q服务器可执行部分Modbus协议Modbus由公共功能码和用户定义的功能码组成Modbus应用协议使用功能码列表读或写数据，或者在远程服务器上进行远程处理q读/写寄存器列表，读/写比特列表q诊断，标识 附加地址 功能码 数据 差错校验 ADU PDU ADU:应用数据单元PDU:协议数据单元测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3938Modb
33、us事务处理事务处理( (无差错无差错) )v当服务器对客户机响应时，它使用功能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）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）响应或者出现某种差错（称为异常响应）v对于一个正常响应来说，服务器仅复制对于一个正常响应来说，服务器仅复制原始功能码原始功能码 功功能能码码 数数据据请请求求 客户机 服务器 启启动动请请求求 执执行行操操作作 启启动动响响应应 接接收收响响应应 功功能能码码 数据响应 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3939ModbusModbus事务处理事务处理( (异常
34、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1后返回 q异常码指示差错类型 客户机 服务器 启启动动请请求求 在在操操作作中中检检测测差差错错 启启动动差差错错 异异常常功功能能码码 接接收收响响应应 异异常常码码 功功能能码码 数数据据请请求求 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3940v Modbus最初在最初在串行链路串行链路上的实现（最大上的实现（最大RS485ADU=256RS485ADU=256字节）字节） 限制了限制了Modbus PDU PDU的长度。的长度。 v 因此，对串行链路通信来说，因此，对串行链路
35、通信来说，Modbus PDU=256- PDU=256-服务器服务器地址（地址（1 1字节）字节）-CRC-CRC（2 2字节）字节）253253字节。字节。 v 从而：从而： RS232 / RS485 ADU = 253 RS232 / RS485 ADU = 253字节字节+ +服务器地址服务器地址(1(1字节字节) + ) + CRC (2CRC (2字节字节)= 256)= 256字节。字节。 TCP Modbus ADU = 253 TCP Modbus ADU = 253字节字节+ MBAP (7+ MBAP (7字节字节) = 260) = 260字节。字节。Modbus P
36、DUPDU长度长度测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3941Modbus PDU结构结构qModbus请求PDU mb_req_pdu = function_code, request_data , function_code - 1字节 Modbus功能码 request_data - n字节qModbus响应PDU mb_rsp_pdu = function_code, response_ data , function_code - 1字节 Modbus功能码 response_data - n字节qModbus异常响应PDU mb_excep_rs
37、p_pdu = function_code, exception_code , function_code - 1字节 Modbus功能码 + 0 x80 exception_code 1字节测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3942ModbusModbus的数据模型是以一组具有不同特征的表为基的数据模型是以一组具有不同特征的表为基础建立的础建立的四个基本表为：四个基本表为：Modbus 数据模型数据模型基本表基本表对象类对象类型型访问类访问类型型注释注释离散量输入离散量输入单个位只读I/O系统可提供这种类型数据线圈线圈单个位读写通过应用程序可改变这种类型
38、数据输入寄存器输入寄存器16位字只读I/O系统可提供这种类型数据保持寄存器保持寄存器16位字读写通过应用程序可改变这种类型数据测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3943Modbus公共功能码的定义公共功能码的定义 功能码 码子码（十六进制） 数据访问 位访问物理离散量输入读离散量输入02 02内部位或物理线圈读线圈01 01写单个线圈05 05写多线圈15 0F 16位访问输入寄存器读输入寄存器04 04内部寄存器或物理输出寄存器读保持寄存器03 03写单寄存器06 06写多寄存器16 10读/写多寄存器23 17屏蔽写寄存器22 16读FIFO队列24
39、18文件记录访问读文件记录20614写文件记录21615 诊 断读异常状态07 诊断0800-18 获得通信事件计数器11 OB获得通信事件记录12 0C报告从站ID17 11读设备识别码43142B其它封装接口传输43 2B测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3944Modbus功能码应用实例功能码应用实例(1)(1) 读线圈读线圈01 (0 x01)01 (0 x01)请求响应* *N N寄存器的数量/8，如果余数不等于0，那么 N = N+1 错误功能码1字节0 x01起始地址2字节0 x0000 至0 xFFFF线圈数量2字节1至2000（0 x7D
40、0）功能码1字节0 x01字节计数1字节N*线圈状态n字节nN或N+1功能码1字节功能码0 x80异常码1字节01或02或03或04测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3945v读多个寄存器读多个寄存器03(0 x03)03(0 x03)请求 响应*N寄存器数量错误功能码1字节0 x03起始地址2字节0 x0000至0 xFFFF寄存器数量2字节1至125（0 x7D）功能码1字节0 x03字节数1字节2N*寄存器值N*2字节 差错码1字节0 x83异常码1字节01或02或03或04ModbusModbus功能码应用实例功能码应用实例( (2)2)测控技术与
41、系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3946Modbus功能码应用实例功能码应用实例(3)(3)v写多个寄存器写多个寄存器16(0 x10)16(0 x10)请求*N N寄存器数量响应错误功能码1字节0 x10起始地址2字节0 x0000至0 xFFFF寄存器数量2字节0 x0001至0 x0078字节计数1字节2N*寄存器值N*2字节值功能码1字节0 x10起始地址2字节0 x0000至0 xFFFF寄存器数量2字节1至123（0 x7B）差错码1字节0 x90异常码1字节01或02或03或04测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:
42、3947Modbus协议在串行链路上的实现 主要介绍Modbus协议在串行标准如RS232、RS485上的实现规范 EIA/TIA-485 (或 EIA/TIA-232) Modbus 主站/从站 Modbus应用协议层 客户机/服务器 层ISO/OSI 模型 7应用层Modbus应用协议6表示层空5会话层空4传输层空3网络层空2数据链路层Modbus串行链路协议 1物理层EIA/TIA-485 (或 EIA/TIA232)Modbus协议在串行链路上的实现测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3948串行链路上的串行链路上的Modbus帧结构帧结构qModb
43、us串行链路协议是一个主主/ /从协议从协议q网络上的每个从站必须有唯一的地址（从1到247） q从站地址用于寻址从站设备，由主站发起q地址0:用于广播模式，不需要响应qRS-485和RS-232 定义了标准的物理端口，提高互可操作性q两种模式：ASCIIASCII码模式码模式和RTURTU模式模式 地址域 功能码 数据 CRC (或 LRC) Modbus串串行行链链路路ADU Modbus PDU 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3949Modbus串行传输模式串行传输模式 ASCIIASCII模式模式v 报文必须以报文必须以“:”“:”开始开始v
44、报文必须以报文必须以“LF“LFCR”CR”结束（换行结束（换行- -回车键码）回车键码）v 数据用十六进制数据用十六进制ASCIIASCII码值表示码值表示v 使用使用LRCLRC进行差错校验进行差错校验 起始 地址 功能码 数据 LRC 结束 1个 字符 : 2个字符 2个字符 2个字符 2个字符 CR、LF 0至2x252个字符 Modbus串行传输模式串行传输模式 ASCII ASCII模式模式测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3950Modbus串行传输模式串行传输模式 RTU RTU模式模式Modbus串行传输模式串行传输模式 RTU RTU模
45、式模式 t0 至少 3.5 个字符 帧 1 帧 2 至少 3.5 个字符 帧 3 4.5 个字符 3.5 个字符 t0 1.5 个字符 帧 1 正常正常 帧 2 不正常不正常 1.5 个字符 从站地址功能码数据CRC1字节1字节0至252字节2 字节CRC高位CRC 低位测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3951Modbus协议的应用举例协议的应用举例vModbus在舰船温度巡检系统上的应用在舰船温度巡检系统上的应用一、基于一、基于Modbus的通信协议的通信协议打开通信协议文档测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:395
46、2Modbus协议的应用举例协议的应用举例vModbus在舰船温度巡检系统上的应用在舰船温度巡检系统上的应用二、二、RTU协议数据帧收发的实现方法协议数据帧收发的实现方法 t0 至少 3.5 个字符 帧 1 帧 2 至少 3.5 个字符 帧 3 4.5 个字符 3.5 个字符 t0 1.5 个字符 帧 1 正常正常 帧 2 不正常不正常 1.5 个字符 测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3953Modbus协议的应用举例协议的应用举例vModbus在舰船温度巡检系统上的应用在舰船温度巡检系统上的应用二、二、RTU协议数据帧收发的实现方法协议数据帧收发的实现
47、方法 其关键点有：其关键点有： a）接收时，至少需要一个定时器用）接收时，至少需要一个定时器用于判别数据帧间的时间于判别数据帧间的时间 b）发送时，要保证发送数据字节间）发送时，要保证发送数据字节间的连续性的连续性测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3954Modbus协议的应用举例协议的应用举例vModbus在舰船温度巡检系统上的应用在舰船温度巡检系统上的应用二、二、RTU协议数据帧收发的实现方法协议数据帧收发的实现方法 其关键点有：其关键点有： a）接收时，至少需要一个定时器用）接收时，至少需要一个定时器用于判别数据帧间的时间于判别数据帧间的时间 b）发
48、送时，要保证发送数据字节间）发送时，要保证发送数据字节间的连续性的连续性测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3955Modbus协议的应用举例协议的应用举例vModbus在舰船温度巡检系统上的应用在舰船温度巡检系统上的应用二、二、RTU协议数据帧收发的实现方法协议数据帧收发的实现方法 具体实现：具体实现： 为保证接收和发送数据的实时性，为保证接收和发送数据的实时性，串行口串行口操作采用操作采用中断方式中断方式 Modbus数据帧的打包和解包在主数据帧的打包和解包在主程序中进行。程序中进行。 通信程序：communication.c测控技术与系统测控技术与系统第九章第九章 现场总线技术现场总线技术20:3956本章小结小结v现场总线的概念和特点；v现场总线的发展历程v现场总线控制系统和DCS系统的比较v现场总线控制系统的特点v举例：MODBUS现场总线系统华中科技大学控制系测控所
