modbus协议与串口服务器功能测试

2024-03-27 10:48:10

modbus协议与串口服务器功能测试

Modbus协议
串口服务器
- 简介
- 测试

Modbus协议

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。
Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。
对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。
对于通过TCP/IP（例如以太网）的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和计算。
对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不同的。

Modbus RTU 模式

Modbus-RTU模式是指当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端模式）模式通信，在消息中的每个8Bit包含两个4Bit的十六进制字符。

使用RTU模式注意下面两点：

1、信息帧发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在最后一个字符传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了信息帧的结束。一个新的信息帧可在此停顿之后开始。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，接受的设备将认为它是前一信息帧的延续，这将导致CRC码的值出错。

2、整个信息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5字符时间的停顿时间，接受设备将刷新不完整的信息帧并认为存在丢包现象。

通讯数据（信息帧）格式：

数据格式	地址码	功能码	数据区	错误校验
数据长度	1字节	1字节	N字节	16位CRC码（冗余循环码）

当通讯命令由发送设备（主机）发送至接收设备（从机）时，符合相应地址码的从机接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息，如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果（数据）返送给主机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。

Modbus ASCII 模式

ASCII模式与TCP模式，只是语法上的不同，没有本质上的区别。

ASCII（American Standard Code for Information Interchange）的中文翻译是美国信息互换标准代码，它基于拉丁字母的一套电脑编码系统。主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO/IEC 646。

ASCII第一次以规范标准的型态发表是在1967年，最后一次更新则是在1986年，至今为止共定义了128个字符，这是标准的ASCII。

其构成说明如下：0~ 31及127是控制字符或通信专用字符；32~ 126是字符，其中48~ 57为0~ 9十个阿拉伯数字，65~ 90为25个大写英文字母，97~122号为26个小写英文字母，其余位一些标点符号。

在标准ASCII中，其最高位（b7）用作奇偶校验位。ASCII码主要用于计算机领域，在国内工业控制中很少采用ASCII码作为标准，所以Modus ASCII在国内的工业控制领域运用很少。
在ASCII传输模式下，消息帧以英文冒号“:”（3A）开始，以回车（0D）和换行（0A）结束，允许传输的字符集为十六进制的0~ 9和A~F。网络中的从设备监视传输通路上是否有英文冒号“:”，如果有的话，就对消息帧进行解码。查看消息中的地址是否与自己的地址相同，如果相同的话，就接收其中数据；如果不同的话就不予理会。其消息帧格式如下：

开始	地址	功能码	数据数量	数据	LRC	结束
1字符：	2字符	2字符	2字节	n字符	2字符	2字符

在ASCII模式下，每个8位的字节被拆分成两个ASCII字符进行发送，比如十六进制0xAF（1010 1111），会被分解成ASCII字符“A”（0100 0001）和”F”（0100 0110）进行发送，其发送量显然比RTU增加一倍。ACII模式的好处是允许两个字符之间间隔的时间长达1s而不引发通信故障，该模式采用纵向冗余校验（LRC）。

综上所述，同一条命令用Modbus RTU和Modbus ASCII方式表现出来，虽然在命令长度上有很大区别（ASCII为RTU的两倍），但表达的意思是完全一样的。

对于一条RTU协议的命令可以简单的通过以下的步骤转化为ASCII协议的命令：

把命令的CRC校验去掉，并且计算出LRC校验取代。
把生成的命令串的每一个字节转化成对应的两个字节的ASCII码，比如0x03转化成0x30,0x33（0的ASCII码和3的ASCII码）。
在命令的开头加上起始标记“:”，它的ASCII码为0x3A。
在命令的尾部加上结束标记CR,LF（0xD,0xA），此处的CR,LF表示回车和换行的ASCII码。

Modbus TCP/IP 模式

TCP/IP协议已成为信息行业的事实标准，世界上93%的网络都使用TCP/IP协议（在网络层使用IP协议，在传输层使用TCP协议），只要在应用层使用Modbus 协议，就构成了完整的工业以太网。
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型，OSI（Open System Interconnect）是传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型，其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。

物理层(Physical Layer)主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等。
数据链路层(Data Link Layer)的任务是加强物理层的功能，使其对网络层显示为一条无错的线路。
网络层(Network Layer)确定分组从源端到目的端的路由选择。路由可以选用网络中固定的静态路由表，也可以在每一次会话时决定，还可以根据当前的网络负载状况，灵活地为每一个分组分别决定。
传输层(Transport Layer)从会话层接收数据，并传输给网络层，同时确保到达目的端的各段信息正确无误，而且使会话层不受硬件变化的影响。通常，会话层每请求建立一个传输连接，传输层就会为其创建一个独立的网络连接。但如果传输连接需要一个较高的吞吐量，传输层也可以为其创建多个网络连接，让数据在这些网络连接上分流，以提高吞吐量。而另一方面，如果创建或维持一个独立的网络连接不合算，传输层也可将几个传输连接复用到同一个网络连接上，以降低费用。除了多路复用，传输层还需要解决跨网络连接的建立和拆除，并具有流量控制机制。
会话层(Session Layer)允许不同机器上的用户之间建立会话关系，既可以进行类似传输层的普通数据传输，也可以被用于远程登录到分时系统或在两台机器间传递文件。
表示层(Presentation Layer)用于完成一些特定的功能，这些功能由于经常被请求，因此人们希望有通用的解决办法，而不是由每个用户各自实现。
应用层(Application Layer)中包含了大量人们普遍需要的协议。不同的文件系统有不同的文件命名原则和不同的文本行表示方法等，不同的系统之间传输文件还有各种不兼容问题，这些都将由应用层来处理。此外，应用层还有虚拟终端、电子邮件和新闻组等各种通用和专用的功能。

Modbus TCP/IP与Modbus RTU不同之处就是7个字节的报文头（RTU中的从机地址作为单元标识符进入报文头），数据部分的语法完全和RTU一样。

数据链路层的CRC校验与传输层的校验和已经对应用层报文进行了校验，因此RTU中原有的CRC校验取消。

Modbus TCP/IP的协议结构如下所示：

事务处理标识符（2字节）：MODBUS请求和响应传输过程中序列号，此字段应答报文与请求报文保持一致。
协议标识符（2字节）：0表示modbus，1表示UNI-TE协议，一般默认为0x0000，此字段应答报文与请求报文保持一致。
长度（2字节）：用来表示接下来的数据长度（包含单元标识符及数据域），单位为字节。
单元标识符（1字节）：用以标识在串行线或网络上的远程服务端的地址，通常情况下意义不大，被IP地址取代。但当TCP与RTU之间进行协议转换时，该数据就是RTU中的地址码。

注意：

在Modbus TCP/IP中，服务器是从机，而客户端是主机。
除非设备作为modbus网关服务器挂接多个RTU设备时，数值为01-FF，否则一般为00。
事务处理标识符一般默认为0x0000

示例:

将Modbus RTU改写成Modbus TCP/IP形式。

Modbus RTU：01 03 01 8E 00 04 25 DE

Modbus TCP/IP：00 00 00 00 00 06 01 03 01 8E 00 04

两者含义是一样的，就是从地址码为01的模块的0x018E寄存器地址开始读4个寄存器。

串口服务器

简介

本次使用的是某公司的NCOM系列串口服务器，能够将 1-16 路标准的 RS232 或 RS485 串口信号转换成 TCP/IP 网络信号，实现 RS232/485 串口与 TCP/IP 网络接口之间数据的双向透明传输；除具备常规串口服务器功能外，还具备 Modbus 网关的功能，将 ModbusTCP 与 ModbusRTU/ModbusASCII 协议之间进行转换，使用户的 Modbus 串口设备能够立即具备 TCP/IP 网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离。

串口服务器的背靠背应用，主要用于串口设备的网络扩展，让现有的串口设备通过互联网连接起来，从而解决串口设备通讯距离短的问题，也大大降低传统 RS232/485 串行总线设备布线的难度。此应用一般是利用现有网络进行连接，节省了施工和维护成本，且不受地域限制。可广泛应用于楼宇自控、工业自动化、测量仪表及环境动力监控系统、信息家电和 LED 信息显示设备等领域。

测试

连接设备，接通电源；
修改电脑IP，使其和串口服务器的IP 地址为同一网段；
设置参数；
打开串口服务器的设置网址（此处为192.168.1.5），输入密码，进入设置界面：

也可以通过设备厂商配套的配置软件设置相关参数：
功能测试
通过配套的集成调试工具，设置相关参数，点击连接，在发送区输入信息，点击发送，若设置无误即可正常通讯。数据帧格式参考上文。

也可通过配套的Modbus Poll软件。
打开软件，点击第四个set up，点击Read/Write Definition：

之后点击第三个connection，点击Connection Setup：

设置无误后，显示正常连接数据：

功能测试完成。