Modbus rtu описание протокола пример. Описание протокола Modbus

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:

Имя	Тип Доступа	Адреса	Доступно Регистров
Coils	Чтение / Запись	1 – 9999	9999
Contacts	Чтение	10001 – 19999	9999
Inputs	Чтение	30001 – 39999	9999
Holdings	Чтение / Запись	40001 – 49999	9999

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:

Код Функции	Тип Действия	Описание
01 (01 hex)	Чтение	Читает значение Coil регистра
02 (02 hex)	Чтение	Читает значение Contact регистра
03 (03 hex)	Чтение	Читает значение Holding регистра
04 (04 hex)	Чтение	Читает значение Input регистра
05 (05 hex)	Запись одного регистра	Записывает значение в Coil регистр
06 (06 hex)	Запись одного регистра	Записывает значение в Holding регистр
15 (0F hex)	Запись нескольких регистров	Записывает значение в несколько Coil регистров
16 (10 hex)	Запись нескольких регистров	Записывает значение в несколько Holding регистров

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.

Адрес	Описание	Доступ	Значение по умолчанию	Доступные значения
40001	Код продукта	Чтение	1	1
40002	Командный регистр, для записи команд	Запись	—	0 – сброс устройства 1 – Разблокировать uSD карту для записи 2 – Заблокировать uSD карту для записи 3 – Созранить конфигурацию на uSD карту
40003	Время работы, в секундах Младшее слово	Чтение	0	0 .. 0xFFFF
40004	Время работы, в секундах Старшее слово	Чтение	0	0 .. 0xFFFF
40005	Системная ошибка	Чтение / Запись	0	Смотри приложение с кодами ошибок. Запись 0 для сброса ошибки и выключения ERROR LED

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 .

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

Запрос: 11 03 00 6B 00 03

Данные (Десятичные)	Данные (HEX)	Данные (Двоичные)
17	11	0001 0001
3	03	0000 0011
0	00	0000 0000
107	6B	0110 1011
0	00	0000 0000
3	03	0000 0011

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

Запрос: 11 03 00 6B 00 03

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 .

: 1 1 0 3 0 0 6 B 0 0 0 3 7 E CR LF

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

3A 3131 3033 3030 3642 3030 3033 3745 0D 0A

Индекс байта	Значение HEX	ASCII	Описание
0	3A	:	Символ начала
1-2	31 31	11	Адрес устройства
3-4	30 33	03	Код команды
5-8	30 30 36 42	00 6B	Адрес HOLDING регистра, с которого нужно начинать чтение. В данном случае 0х006B = 107. Но это не адрес, а смещение от адреса 40001. Т.е. реальный адрес = 107+ 40001 = 40108.
9-12	30 30 30 33	00 03	Количество регистров, которые нужно прочитать. 0х0003 = 3. Т.е. читать нужно регистры 40108– 40110.
13 – 14	37 45	7E	LRC запроса
15	CR	0D	Символ перевода каретки
16	LF	0A	Символ новой строки

Ну что же, пора рассмотреть, чем протокол Modbus TCP отличается от протокола Modbus RTU . Так как отличий не очень много, то и статья будет не очень большая.
Итак, в предыдущей стать о функциях Modbus RTU можно узнать, какие есть функции и их бинарный формат. Теперь стоит рассказать что такое Modbus TCP , как он применяется и чем отличается от стандартного Modbus RTU .

Modbus RTU через TCP соединение

Самый простой способ обмена Modbus сообщениями через сеть – просто передавать Modbus RTU пакеты через TCP сокет (соединение). В этом случае формат пакетов такой же, как и для Modbus RTU протокола. В принципе на этом можно и закончить по этому типу протокола.

Modbus TCP

Для обмена Modbsu сообщениями по сети решили использовать модифицированный протокол. Взяли стандартный Modbus RTU и немного его изменили. Во-первых убрали из него последних 2 байта CRC16 . Так как каждый пакет TCP/IP содержит свою контрольную суму, решили что делать проверку еще раз не нужно. Кроме того убрали первый байт Slave ID . В принципе, Как будет видно дальше, Его не убрали, а просто переименовали. Вот эти байты, без Slave ID и CRC16 назвали PDU – Protocol Data Unit .

Например, возьмем запрос Modbus RTU , который читает несколько HOLDING регистров с устройства #17 (Slave ID = 17)

11 03 006B 0003 7687

Теперь убираем первый и последних 2 байта. Получаем PDU !

03 006B 0003

С этим вроде все ясно. Теперь, что бы получить полноценный пакет Modbus TCP нам нужно добавить впереди MBAP Header — Modbus Application Header . Т.е. нам нужно добавить некий заголовок. Этот заголовок включает в себя Transaction ID , Protocol ID , Length и Unit ID .

Transaction ID – 2 байта, которые устанавливаются клиентом, что бы однозначно идентифицировать каждый запрос. Т.е. это просто число от 0 до 65535 уникальное для каждого запроса.

Protocol ID – 2 байта, которые определяют версию протокола. В текущей реализации всегда должны быть равны 0x00 0x00

Length – 2 байта, которые определяют длину пакета (за исключением байтов Protocol ID , Transaction ID и Length )

Unit ID – уникальный адрес устройства, которое опрашивается данной командой. Идентично Slave ID .

Небольшое отступление по поводу адресации. Может показаться что это излишне, так как TCP соединение может быть установлено только на конкретный IP адрес и порт. Т.е. у нас уже есть конкретный адрес сервера, поэтому назначение Unit ID не совсем понятно.

Но на самом деле вполне обычна ситуация, когда есть некий сервер, который просто маршрутизирует Modbus RTU запросы на другие устройства, которые подсоединены к нему по различным каналам (локальная сеть, последовательный порт, CAN интерфейс). Поэтому клиент может использовать Modbus TCP сервер как шлюз (Gateway ) для общения с устройствами за ним.

Пример Modbus TCP сервера, который используется как шлюз для перенаправления запросов на Modbus RTU устройства

Вот пример из жизни. Есть некое устройство основанное на Linux. Это устройство выступает Modbus TCP сервером. Любой клиент может подсоединиться к публичному IP адресу на порт 502 и инициировать Modbus TCP соединение. К данному Linux устройству подключены сенсоры, которые использую последовательный порт RS485. Сенсоров много, они очень простые и не могут быть подключены к Internet, у них есть только порт RS485 и они понимают только Modbus RTU . Поэтому клиенты посылают Modbus TCP запросы с Unit ID сенсоров на Modbus TCP Сервер. Сервер декодирует Modbus TCP запрос и преобразует его в Modbus RTU и отправляет в порт RS485. После того как сенсор отвечает ему, он преобразует Modbus RTU ответ в Modbus TCP ответ и отсылает его назад, к Modbus TCP клиенту, который инициировал запрос. Таким образом, имея всего один публичный IP адрес можно опрашивать онлайн сотню сенсоров, которые даже не могут быть подсоединены к Интернету или локальной сети.

А теперь наглядная схема, чем отличается Modbus RTU запрос от Modbus TCP запроса.

Посмотрим пример байтов для двух запросов:

Modbus RTU: 11 03 006B 0003 7687 Modbus TCP: 0001 0000 0006 11 03 006B 0003

Пример ответа:

Modbus TCP: 0001 0000 0009 11 03 06 AE41 5652 4340 Modbus RTU: 11 03 06 AE41 5652 4340 49AD

Как видите, конвертировать запросы между Modbus RTU и Modbus TCP очень просто. Хотя реализация Modbus RTU через TCP может показаться самым простым способом для маршрутизации запросов, на самом деле в Modbus TCP есть несколько положительных моментов:

• Не нужно вычислять CRC16
• Есть возможность идентифицировать пару ответ / запрос используя Transaction ID
• Можно легко добавлять свои версии протоколов, меняя константу Protocol ID

Modbus - открытый протокол последовательной связи. Был разработан в 1979 году для использования с устройствами программируемого логического контроллера (PLC), в настоящее время широко используется для подключения многих типов промышленных электронных устройств, подключенных к различным типам сетей.

Наиболее широко используемый протокол в промышленной автоматизации (исключение - локальные предприятия). Modbus очень популярен. Это достаточно простое и понятное в использовании устройство со стандартной последовательной связью. В сети Modbus каждое устройство смотрит в сеть как набор катушек (бит) и регистров. Мастер считывает и записывает эти катушки и регистры, используя очень простой и сжатый набор команд. Коммуникация движется только в одном направлении за раз.

Реализация протокола Modbus, установленная на практике, является очень краткой. Хотя есть двадцать основных команд, только некоторые из них действительно реализованы. Наиболее распространенными командами считаются считываемые катушки, записываемые катушки, считывание регистра, установка регистров. Небольшой набор команд - еще одна причина популярности протокола.

Modbus — протокол расширенного применения

Преобразователь протоколов широко используется по ряду причин:

• Modbus — протокол с открытым исходным кодом. Это означает, что он может быть включен в широкий диапазон типов устройств от любого поставщика оборудования.
• Использует простую структуру сообщений, что делает ее менее сложной для развертывания. Может потребовать всего несколько дней для реализации. Это явное конкурентное преимущество в сравнении с другими протоколами, которые могут потребовать месяцев для изучения и развертывания.
• Поддерживает последовательные или Ethernet-соединения.
• Используется с двумя типами последовательных соединений: RS-232 и RS-485. Некоторые версии протокола Modbus tcp также могут быть отправлены через Ethernet или TCP/IP. Эти сообщения Modbus упакованы как однобитовые или 16-битные пакеты слов.

Modbus не является частью физического уровня в сети. Связь передается над физическими уровнями, что позволяет использовать ее во многих различных типах сетей. Это свойство нефизического уровня делает Modbus протоколом прикладного характера.

Протокол передачи данных Modbus — это общий способ сбора данных из разных источников для просмотра операций, архивирования и устранения неполадок с центрального удаленного места. Он широко используется и является довольно простой технологией. В зависимости от приложения, более новый протокол может иметь больше преимуществ.

Как правило, ПК настроен на запуск таких программ, как Wonderware, Intellution или LabVIEW в одном месте для сбора данных из разных процессов по всему предприятию. Другое приложение предназначено для настройки удаленных контроллеров производственных процессов (ПЛК, Allen-Bradley, Siemens, PLCDirect и другие). Для реагирования на различные уровни или режимы, которые передаются с устройства.

Два варианта протокола

Существует два варианта протокола, которые проходят через последовательные соединения. Одним из них является протокол Modbus RTU. Описание этого варианта: оно более компактное, использует двоичную связь. В данном формате передача данных всегда сопровождается циклической контрольной суммой избыточности, которая используется для обнаружения проблем передачи.

Второй вариант — Modbus ASCII. Эта версия более подробная, использует шестнадцатеричное кодирование ASCII-данных, которое может быть прочитано операторами. Modbus ASCII является менее защищенным протоколом. Поскольку он менее эффективен, чем Modbus RTU, операторы должны использовать ASCII только для передачи данных на устройства, которые не поддерживают формат RTU. ASCII также может быть полезным, если сообщение RTU не может быть правильно применено.

Протокол Modbus для чайников

Modbus - это протокол последовательной связи, используемый для передачи информации по последовательным линиям между электронными устройствами. То, которое запрашивает информацию, называется ведущим (Master), а информация о поставке устройств — подчиненные устройства (Slaves). В стандартной сети Modbus есть один Master и до 247 Slaves, каждый из которых имеет уникальный подчиненный адрес от 1 до 247. Master может также записывать информацию в Slaves.

Для чего его используют?

Modbus является открытым протоколом. Это означает, что производители бесплатно могут встраивать его в свое оборудование. Он стал стандартным протоколом связи в промышленности, а в настоящее время является наиболее распространенным средством подключения промышленных электронных устройств. Он широко используется многими производителями во многих отраслях.

Modbus обычно используется для передачи сигналов от приборов и устройств управления обратно в главный контроллер или систему сбора данных, например, систему, которая измеряет температуру и влажность, передает результаты на компьютер. Modbus часто используется для подключения контрольного компьютера с удаленным терминальным блоком (RTU) в системах диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Версии протокола Modbus существуют для последовательных линий (RTU и ASCII) и для Ethernet (TCP).

Как это работает?

Modbus передается по последовательным линиям между устройствами. Самой простой установкой был бы один последовательный кабель, соединяющий последовательные порты на двух устройствах: Master и Slave.

Данные отправляются как серия единиц и нулей, называемых битами. Каждый бит передается как напряжение, нули - положительные, а единицы - отрицательные напряжения. Биты отправляются очень быстро. Типичная скорость передачи составляет 9600 бод (бит в секунду).

Протокол Master/Slave

При описании протокола Modbus RTU связь осуществляется между централизованным ведущим оборудованием, 247 подключенными электронными устройствами в одной сети. Конструкцию обычно называют протоколом «ведущий/ведомый», поскольку система Master запрашивает информацию у подключенных устройств, которые называются «подчиненными». Ведомые устройства отправляют информацию только мастеру в ответ на эти запросы, они не работают автономно. Ведущий может также записывать информацию на подчиненные устройства, но подчиненные устройства не могут записывать информацию ведущему устройству.

Когда ведомое устройство передает сообщение Modbus, оно начинает формировать сообщение с уникальным идентификатором адреса. Это число от 1 до 247, что позволяет мастеру определять, какое конкретное устройство отвечает запрошенной информации.

Связь и устройства

Каждому устройству, предназначенному для связи с использованием Modbus, присваивается уникальный адрес. В последовательных сетях только узел, назначенный мастером, может инициировать команду. В Ethernet любое устройство может отправлять команду Modbus, хотя обычно это делает только одно ведущее. Команда содержит адрес устройства, для которого он предназначен (от 1 до 247). Все команды включают информацию контрольной суммы, чтобы позволить получателю обнаруживать ошибки передачи. Базовые команды Modbus указывают RTU на изменение значения в одном из своих регистров, управление или чтение порта ввода-вывода, команду устройству отправить обратно одно или несколько значений, содержащихся в его регистрах.

Существует много модемов и шлюзов, поддерживающих Modbus, поскольку это очень простой протокол и часто копируется. Некоторые из них были специально разработаны для него. Различные реализации используют проводную, беспроводную связь, например, в диапазоне ISM, и даже службу коротких сообщений (SMS), а также услугу общей пакетной радиосвязи (GPRS). Типичные проблемы, с которыми приходится сталкиваться дизайнерам, включают проблемы с высокой задержкой и временем.

Обзор типов регистра Modbus

Типы регистров, на которые ссылаются устройства, включают:

Катушку (дискретный выход); . дискретный вход; . входной регистр; . регистрацию холдинга.

Коды функций

• Коды общих функций - от 1 до 127, за исключением пользовательских кодов, проверенных сообществом Modbus, публично задокументированы и гарантированно уникальны.
• Пользовательские коды функций - находятся в двух диапазонах от 65 до 72, от 100 до 110.
• Коды зарезервированных функций - используются некоторыми компаниями для устаревших продуктов, недоступны для общего пользования.

Преимущества

Некоторые преимущества использования протокола Modbus:

• Если драйвер уже установлен, а пользователь знаком с Ethernet и сокетами TCP/IP, драйвер может работать и обмениваться данными с ПК через несколько часов. Расходы на разработку считаются низкими. Требуется минимальное число оборудования. Драйвер совместим с любой операционной системой.
• Нет необходимости в «экзотических» наборах микросхем, поэтому система может использовать стандартные ПК-карты Ethernet для общения с недавно реализованным устройством. Поскольку стоимость Ethernet падает, сокращаются затраты на аппаратное обеспечение. Пользователи не привязаны к одному поставщику услуг для поддержки, но могут воспользоваться нынешними разработками.
• Спецификация доступна бесплатно для скачивания, никаких дополнительных лицензионных сборов, необходимых для использования протоколов Modbus, не требуется.
• Взаимодействие между устройствами разных производителей и совместимость с установленной базой совместимых устройств.

Стоят преобразователи протоколов Modbus дорого. Цена промышленных шлюзов составляет 1000 долларов.

Ограничения

Поскольку Modbus был разработан в конце 1970-х годов для связи с численность типов данных ограничена теми, которые были поняты ПЛК в то время. Большие двоичные объекты не поддерживаются.

Нет стандартного способа для узла, чтобы найти описание объекта данных, например, чтобы определить, представляет ли значение регистра - значение температуры между 30 и 175 градусами.

Поскольку Modbus является протоколом типа «ведущий/ведомый», для устройства нет возможности «сообщать об исключении» (кроме Ethernet TCP/IP, называемого open-mbus). Главный узел должен регулярно получать данные с дочерних устройств, а также искать изменения в данных. Это нагружает полосу пропускания, увеличивает время подключения к сети в приложениях, где пропускная способность может быть дорогой, например, в каналах с низкой скоростью передачи данных.

Modbus ограничивается адресацией 254 устройств на одной линии передачи данных, что ограничивает число устройств, которые могут быть подключены к мастер-станции (Ethernet TCP/IP является исключением). Передачи должны быть непрерывными, что ограничивает типы удаленных коммуникационных устройств теми, которые могут буферизовать данные, чтобы избежать пробелов в передаче. Сам протокол Modbus не обеспечивает защиту от несанкционированных команд или перехвата данных. Важно понимать, что в процессе передачи информации возникают логические ошибки, а также связанные с искажениями при обмене.

В уроке 48 я показал пример нестандартного протокола обмена данными через интерфейс UART. Как всегда все нестандартное позволяет оптимизировать выполнение задачи, а все универсальное упрощает разработку задачи.

Существует простой универсальный протокол обмена ModBus, в котором избыточность данных и функций сведена к минимуму. Наверное, это самый распространенный протокол для организации малых распределенных систем. В последующих уроках обмен данными между устройствами я буду реализовывать по этому протоколу.

Общее описание протокола.

ModBus – открытый протокол обмена данными в малых локальных сетях. Как правило, используется для передачи данных через интерфейсы RS-232, RS-485, RS-422, в сетях TCP/IP, UDP. Благодаря своей простоте и универсальности ModBus получил широкое распространение и стал де факто стандартом в малых распределенных вычислительных системах. Практически все современные контроллеры поддерживают работу в сетях ModBus.

В сети ModBus контроллеры, как правило, соединены по топологии ”Общая шина”. Взаимодействие контроллеров происходит в соответствии с моделью master-slave (ведущий-ведомый).

В сети есть главное устройство - ведущее. А также несколько подчиненных устройств – ведомые. Обмен может быть инициирован только ведущим устройством.

Транзакция (последовательность операций при обмене данными) состоит из запроса и ответа.

Ведущее устройство может адресовать запрос любому ведомому контроллеру или инициировать широковещательное сообщение, для всех ведомых устройств одновременно.

Ведомое устройство, определив свой адрес в запросе, формирует ответ.

В запросе от ведущего устройства обязательно содержится код функции, т.е. что надо делать. Также в зависимости от функции в запросе могут содержаться данные.

Существуют 3 варианта протокола ModBus.

• ModBus ASCII – текстовый протокол. В нем используются только ASCII символы. Каждый байт передается как два шестнадцатеричных символа.
• ModBus RTU – числовой протокол. Данные передаются в двоичном виде. Байт, передаваемый по сети это число протокола.
• ModBus TCP – протокол для передачи данных в TCP/IP сетях.

Числовые и текстовые протоколы я сравнивал еще в . По производительности и скорости обмена, безусловно, преимущество имеют числовые протоколы. Ближайшие уроки будем использовать ModBus RTU. Именно этому варианту посвящена последующая информация урока.

Протокол ModBus RTU.

В сети по топологии ”Общая шина” подключены устройства (контроллеры). Стандарт ModBus допускает совместную работу до 247 контроллеров.

В каждом контроллере есть данные, собственно говоря, которыми и обмениваются устройства.

Стандарт ModBus определяет 4 типа данных.

Тип данных	Размер	Допустимые операции
Регистр флагов (Coils)	1 бит	Запись и чтение
Дискретные входы (Discrete Inputs)	1 бит	Чтение
Регистры хранения (Holding Registers)	16 бит	Запись и чтение
Регистры ввода (Input Registers)	16 бит	Чтение

Такое функциональное разделение данных стерлось и практически не используется. Все данные в итоге считываются из памяти контроллера и не так важно, откуда они попали в нее со входов или из регистров ввода.

На практике используются только данные Регистры хранения (Holding Registers). Доступ к данным осуществляется через 16 битный адрес. В итоге:

• данные в каждом контроллере представляют собой таблицу 16 битных регистров;
• в таблице данных может быть до 65536 элементов;
• нумерация элементов начинается с 0.

Ведущее устройство инициирует транзакцию – обмен данными. Транзакция может быть индивидуальной (запрос-ответ) или широковещательной (адресуются одновременно все ведомые устройства). Транзакция состоит из одного кадра запроса и одного кадра ответа. При широковещательной транзакции используется только кадр запроса.

Данные кадра передаются сплошным потоком. Пауза между передачей данных не должна превышать время передачи 1,5 символа. Признаком нового кадра является отсутствие обмена в сети (молчание) в течение времени необходимого на передачу 3,5 символов. Если в течение этого времени линия сети находилась в неактивном состоянии, то ведомые устройства воспринимают первое принятое данное как начало кадра.

В общем случае кадр запроса имеет следующий формат.

Адрес (8 бит).

Кадр начинается с поля адреса, которое состоит из 8 разрядов. Содержит адрес ведомого устройства, которому предназначено сообщение от ведущего. Каждое ведомое устройство должно иметь уникальный адрес от 1 до 247. И только адресуемое ведомое устройство должно ответить на запрос ведущего. В ответе сообщается ведущему устройству, с каким из ведомых установлена связь.

Адрес 0 используется в широковещательном режиме. Все ведомые устройства выполняют заданную в запросе функцию, но подтверждение не посылают.

Функция (8 бит).

Поле функции сообщает адресуемому ведомому устройству, какую операцию выполнить.

Старший бит байта функция устанавливается в 1 в ответе ведомого устройства, чтобы сообщить ведущему, что операция была выполнена с ошибкой. При успешной операции старший бит равен 0.

• Стандартные команды. Коды, определенные стандартом на протокол ModBus.
• Пользовательские команды. Для кодов 65…72 и 100…110 пользователь может сам назначить произвольную функцию.
• Зарезервированные команды. Это коды, которые не были изначально определены стандартом, но уже используются в устройствах разных производителей.

Подавляющее большинство ModBus контроллеров используют только 3 функции.

Формат ответа зависит от функции. Во многих случаях нормальный ответ полностью или частично повторяет запрос.

Данные (N * 8 бит).

В поле данных содержится информация, необходимую ведомому контроллеру для выполнения заданной функции или поле содержит данные передаваемые ведомым устройством по запросу ведущего. Длина и формат поля данных зависит от кода функции. В некоторых сообщениях данные могут отсутствовать.

Каждое данное имеет 16 разрядов (2 байта). Данные передаются старшим байтом вперед. Например, последовательная передача регистров с адресами 0 и 1 должна происходить следующим образом:

• старший байт регистра 0 ->
• младший байт регистра 0 ->
• старший байт регистра 1 ->
• младший байт регистра 1 ->.

При передаче 4х байтового числа, например, с плавающей запятой последовательность та же. Число разбивается на два 16 разрядных регистра и в каждом из них первым передается старший байт (1-> 0-> 3-> 2->).

Контрольная сумма (16 бит).

Поле контроля целостности данных сообщений. Позволяет проверять кадры на наличие ошибок. Речь идет об ошибках, появляющихся при передаче данных.

Я постараюсь в общих чертах рассказать о контрольном коде. Лучше пропустить этот параграф. Может голова треснуть. У меня, когда я затрагиваю эту тему – всегда трещит. В следующем уроке я представлю практическую реализацию вычисления контрольного кода ModBus.

В качестве контрольной суммы используется циклический избыточный код (CRC). Все биты кадра передачи собираются в огромное двоичное число. Оно делится на код порождающего полинома. Остаток от деления и есть контрольный код.

Используется полиноминальная арифметика по модулю 2. Это означает, что все действия при вычислении CRC это арифметические операции без переноса. Вычитание и сложение происходят побитно, без учета переноса из-за чего эти операции дают одинаковый результат и могут быть заменены операцией ”исключающее или”. При делении вместо вычитания делителя из делимого также используется операция ”исключающее или”. Это общий принцип вычисления CRC. Практически вычисления производятся с помощью более эффективных алгоритмов.

Контрольная сумма завершает кадр передачи. Приняв кадр, ведомое устройство по такому же алгоритму вычисляет контрольную сумму для принятых данных и сравнивает с переданным контрольным кодом в конце кадра. В результате подтверждается целостность данных кадра.

Стандарт ModBus RTU использует стандартный циклический код CRC-16 с порождающим полиномом X 16 +X 15 +X 2 +1. Это 16ти разрядный код, двоичные коэффициенты 1 1000 0000 0000 0101 (8005h в шестнадцатеричном представлении).

Сообщение рассматривается как одно последовательное двоичное число, в котором старший бит передается первым. Это число умножается на X 16 (сдвиг влево на 16 разрядов), и делится на X 16 +X 15 +X 2 +1 (1 1000 0000 0000 0101). 16ти битный остаток (предварительно инициализированный всеми единицами) и есть контрольный код сообщения.

Обработка логических ошибок.

Кроме ошибок, связанных с искажением данных при передаче могут быть логические ошибки, когда запрос принят без ошибок, но не может быть выполнен. Как правило, такие ошибки связаны с недопустимым адресом, данными, кодами и т.п. Большинство ModBus контроллеров поддерживают следующие типы ошибок.

Код ошибки	Название	Описание
01	ILLEGAL FUNCTION	Код функции не поддерживается в контроллере
02	ILLEGAL DATA ADRESS	Недопустимый адрес данных
03	ILLEGAL DATA VALUE	Недопустимые значения данных
04	SLAVE DEVICE FAILURE	Произошла ошибка при выполнении операции

При возникновении ошибки в ответе в поле код функции взводится старший бит и следом вместо обычных данных передается код ошибки.

Детальное рассмотрение функций.

Функция 03 – чтение регистров хранения.

Используется для чтения значений нескольких регистров хранения. В запросе передается адрес первого элемента таблицы регистров, значение которого необходимо прочитать и количество считываемых регистров. Для адреса и количества используются 16ти разрядные числа. Старший байт передается первым.

Запрошенные данные содержатся в ответе. Перед блоком данных передается байт, который содержит число прочитанных данных в байтах.

Формат запроса функции чтения регистров хранения.

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	03	03
2	1	Начальный адрес регистров	0008	00
3	0			08
4	1	Количество регистров	0002	00
5	0			02
6	1	Контрольная сумма	45C9	45
7	0			C9

Ответ (адрес ведомого, код функции, количество прочитанных байтов, значения регистров).

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр	Пример чтения регистров с адресами 8 и 9
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	03	03
2	0	Количество прочитанных байтов	04	04
3	1	Значение регистра 8	12A5	12
4	0			A5
5	1	Значение регистра 9	E020	E0
6	0			20
7	1	Контрольная сумма	A770	A7
8	0			70

Функция 06 – запись в один регистр хранения.

Используется для записи в единичный регистр. В запросе передается адрес регистра и значение для него. При успешном выполнении ведомый контроллер в ответе передает копию запроса.

Формат запроса функции записи одного регистра хранения.

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	06	06
2	1	Адрес регистра	0009	00
3	0			09
4	1	Значение регистра	12A5	12
5	0			A5
6	1	Контрольная сумма	9513	95
7	0			13

Ответ (повторяет запрос).

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр	Пример записи в регистр 9 значения 12A5
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	06	06
2	1	Адрес регистра	0009	00
3	0			09
4	1	Значение регистра	12A5	12
5	0			A5
6	1	Контрольная сумма	9513	95
7	0			13

Функция 16 – запись значений в регистры хранения.

Используется для записи в несколько, последовательно расположенных в таблице, регистров.

В запросе передается адрес первого регистра, количество регистров и значения для них.

В ответе возвращается начальный адрес и количество измененных регистров.

Формат запроса функции записи регистров хранения.

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	10	10
2	1	Начальный адрес регистров	0008	00
3	0			08
4	1	Количество регистров	0002	00
5	0			02
6	0	Счетчик байтов	04	04
7	1	Значение регистра 8	12A5	12
8	0			A5
9	1	Значение регистра 9	E020	E0
10	0			20
11	1	Контрольная сумма	AF4A	AF
12	0			4A

Ответ (адрес ведомого, код функции, начальный адрес и количество регистров).

Номер байта	Номер байта в параметре	Параметр	Пример записи регистров с адресами 8 и 9
0	0	Адрес контроллера	01	01
1	0	Функция	10	10
2	1	Начальный адрес регистров	0008	00
3	0			08
4	1	Количество регистров	0002	00
5	0			02
6	1	Контрольная сумма	С00A	C0
7	0			0A

ModBus и специализированные протоколы.

Теперь можете сравнить протокол ModBus со специализированном протоколом из .

Номер байта	Формат числа	Назначение
0 … 3	float	Температура
4 … 7	float	Напряжение
8	byte	Состояние кнопки
9	byte	Резерв
10, 11	int	Контрольная сумма (сумма байтов 0 … 9 ^ 0xa1e3)

По сравнению со специализированным протоколом:

• ModBus медленнее, его производительность ниже. Для получения такого же количества информации по сети передается намного больше данных.
• Реализация его сложнее. Требуется больше ресурсов микроконтроллера и сети.

Но достоинства во многих случаях весомее.

• За счет более сложной контрольной суммы и избыточности информации ошибки сети определяются в нем надежнее, выше достоверность данных.
• Сеть легко расширяется. Очень просто добавлять новые устройства.
• ModBus – стандартный протокол. Множество контроллеров различных производителей поддерживают его.

Пожалуй, главная причина применения нестандартных протоколов – это недостаточность вычислительных ресурсов системы.

Правда, бывает еще один повод использовать нестандартный протокол. В том числе, благодаря которому наша фирма выиграла крупный тендер. Никто кроме разработчиков не сможет подключиться к устройствам со специализированным протоколом и управлять ими. Т.е. совершенно противоположное стандартным протоколам качество. Философский закон единства противоположностей действует.

В следующем уроке будем реализовывать связь платы Ардуино и компьютера по протоколу ModBus.

Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.