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ModbusRTU的工作原理

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查看40161 | 回复0 | 2024-3-22 21:17:47 | 显示全部楼层 |阅读模式


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介绍

MODBUS RTU（Remote Terminal Unit）是一种在串行通信（如RS-232或RS-485）上实现的MODBUS协议。它是工业领域中最常用的通信协议之一，广泛应用于各种自动化设备和控制系统。以下是MODBUS RTU的主要特点和工作原理：
特点：

    「简单性和开放性」：MODBUS RTU是一个简单、开放的协议，由于其易于理解和实施，它被广泛采用于工业环境中。「二进制传输」：MODBUS RTU以二进制形式传输数据，这提高了数据传输的效率。「基于主从架构」：MODBUS RTU通常在主从（或客户端-服务器）架构中运行，其中一个主站（通常是控制系统或计算机）控制通信，从站（如传感器、执行器或驱动器）响应主站的请求。「串行通信」：它通过串行通信（RS-232、RS-422、RS-485等）进行数据传输，适用于短距离和低速通信。「数据和地址封装」：在MODBUS RTU中，数据包含在帧中，每个帧包括设备地址、功能码、数据以及用于错误检测的循环冗余校验（CRC）。
工作原理：

    「消息帧结构」：MODBUS RTU消息帧包括设备地址、功能码、数据和CRC校验。每个消息以一个起始位开始，并在静默期（约3.5个字符时间）后结束。「地址」：每个MODBUS RTU设备都有一个独特的地址，范围从1到247。地址0用于广播消息，所有设备都会接收但不响应。「功能码」：功能码定义了主站要求从站执行的操作，如读取数据、写入数据、诊断等。「数据传输」：数据可以是寄存器的值、状态信息或其他命令参数。「错误检测」：MODBUS RTU使用CRC校验来确保数据传输的完整性和准确性。「响应和超时」：从站收到请求后，会对请求进行处理并发送响应。如果主站在预设的时间内未收到响应，则会判断为超时。
串口报文格式

在串行通信中，尤其是在采用 MODBUS RTU 协议的情况下，报文（消息帧）遵循一定的格式。MODBUS RTU 是一种在串行线路上（如 RS-232、RS-485）使用的协议，它的报文格式设计用于高效且可靠地传输数据。以下是 MODBUS RTU 报文的基本格式：
    「起始位」：每个消息帧开始前，线路上存在一段至少为 3.5 字符时间长度的静默期。这意味着在这段时间内没有任何通信活动。「从站地址」（1字节）：标识消息的目标设备。每个从站设备在MODBUS网络上有一个唯一的地址。地址范围通常是从 1 到 247。「功能码」（1字节）：指定要执行的操作类型，比如读写寄存器等。「数据字段」（可变长度）：包含附加信息，如寄存器的地址、要读取或写入的值等。数据字段的长度取决于功能码和操作的特定需求。「错误检查字段」（2字节）：通常是一个循环冗余校验（CRC）校验码，用于确保数据传输的准确性。CRC 是根据从站地址、功能码和数据字段计算得出的。「结束间隔」：MODBUS RTU 消息帧之间有一个「至少为 3.5 字符时间长度的静默期」，用于标识消息帧的结束。

每个字节在串行通信中以二进制形式传输，包括 1 个起始位、8 个数据位、可选的奇偶校验位和 1 或 2 个停止位。这种报文格式允许 MODBUS RTU 协议在各种工业环境中高效、可靠地运作。
RTU消息帧


MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) 消息帧是 MODBUS 协议在串行通信中的一种实现。在 MODBUS RTU 模式下，数据以二进制形式传输，每个消息帧包含多个字段，用于确保正确且可靠的通信。以下是 MODBUS RTU 消息帧的结构：
    「设备地址 (Slave Address)」

    长度：1字节。作用：指定要通信的从站设备。它的值在1到247之间，每个设备有一个唯一的地址。
    「功能码 (Function Code)」

    长度：1字节。作用：指示从站执行的动作，如读取寄存器、写入寄存器等。
    「数据 (Data)」

    长度：可变。作用：根据功能码的不同，这部分可能包含要读取的寄存器的地址和数量，或要写入的寄存器的值等。
    「错误检查 (Error Checking)」

    长度：2字节。作用：通常是一个循环冗余校验 (CRC) 码，用于检测传输错误。CRC码是基于前面的整个消息（包括设备地址、功能码和数据）计算得出。
    「开始和结束标志」

    在 MODBUS RTU 模式下，消息帧的开始和结束是通过静默间隔识别的。当线路上存在一定时间（通常是3.5个字符时间）的沉默时，这被解释为帧的结束。同样，帧的开始也是通过检测到数据后的第一个「静默间隔」来确定。

MODBUS RTU 消息帧的这种结构使其在串行通信中高效且可靠。每个帧的开始和结束不是通过特定字符，而是通过时间间隔来识别，这是串行通信的一个特点。CRC校验确保数据在传输过程中的完整性和准确性。
问答

地址为什么不是1-254或者255呢？

MODBUS RTU 协议中地址的范围限制为 1 到 247 的原因主要基于历史和实际应用的考虑。以下是一些关键点：
    「协议规范」：在 MODBUS 协议的最初设计中，地址范围被限制在 1 到 247。这是一个在协议规范中定义的标准，被广泛采用并成为通用的实践。「广播地址」：在 MODBUS 协议中，地址 0 被保留作为广播地址。当主站向地址 0 发送消息时，所有从站都会接收这条消息，但不回应。这是为了同时向多个设备发送指令而设计的。「特殊用途和保留地址」：地址 248 到 255 通常保留用于特殊用途。在某些实现中，这些地址用于诊断、配置目的或其他非标准功能。「兼容性和标准化」：保持地址范围为 1 到 247 有助于确保与各种不同制造商和设备的兼容性。由于 MODBUS 广泛应用于各种工业环境，遵循这一标准范围可以减少兼容性问题。「历史原因」：最初的 MODBUS 协议是在 1970 年代末设计的，那时的网络规模较小，247 个设备已经足够满足大多数应用场景的需求。

总之，虽然理论上地址可以扩展到更大的范围，但由于历史、标准化和实际应用的考虑，MODBUS RTU 协议中通常将地址范围限制在 1 到 247。
字符和字节是什么关系？RTU的传输方式是按字符还是字节呢？

在串行通信和特别是在 MODBUS RTU 协议中，"字符"和"字节"之间的关系非常重要，但这两个术语有时会引起混淆。「字符 vs 字节：」
    「字节」：

    字节是数据存储的基本单位，通常由8位（bits）组成。在数字通信中，一个字节可以表示256（28）种不同的状态，通常用来表示一个字符（如字母、数字或符号）。
    「字符」：

    在 MODBUS RTU 通信中，一个"字符"指的是完整的数据单位，它包括数据位、起始位、停止位，以及可能的奇偶校验位。标准的 MODBUS RTU 字符格式是：1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位（可选）、1个停止位。因此，一个完整的"字符"可以由10位或11位组成，取决于是否使用奇偶校验。

「RTU的传输方式：」
    在 MODBUS RTU 中，传输的基本单位是"字符"，不仅仅是数据位（或字节）。这意味着每次传输包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。当计算消息帧之间的间隔时间时，需要考虑整个字符的时间，而不仅仅是数据位的时间。

因此，当我们谈论 MODBUS RTU 的传输方式时，我们实际上是在讨论完整字符的传输，包括所有必要的开始、数据、校验和结束位。这种传输方式确保了数据的完整性和可靠性，特别是在串行通信环境中。MODBUS RTU 通信协议的上下文中：
    「起始位」：确实是 1 位（bit）。起始位用于标志一个字节数据的开始。「数据位」：通常是 7 或 8 位。尽管理论上串行通信可以配置为使用 5 到 8 位数据位，但在 MODBUS RTU 协议中，一般使用 8 位数据位。「奇偶校验位」：可以是 1 位或无。在 MODBUS RTU 中，可以配置为无奇偶校验（None）、偶校验（Even）或奇校验（Odd）。奇偶校验位用于错误检测。「停止位」：通常是 1 位或 2 位。在 MODBUS RTU 中，如果使用无奇偶校验，则停止位可能设置为 2 位；如果使用奇偶校验，则通常使用 1 位停止位。「注意」：在 MODBUS RTU 协议中，最常见的配置是 8 数据位、无奇偶校验（或偶校验）和 1 停止位，或者 8 数据位、奇偶校验和 1 停止位。
如何计算间隔时间呢？

在 MODBUS RTU 协议中，计算消息帧间隔时间（即帧的开始和结束标志）是基于串行通信的波特率（Baud Rate）。MODBUS RTU 使用一段沉默时间来标识消息帧的开始和结束，这段时间通常被定义为** 3.5 **个字符时间。正确计算这个间隔时间对于确保 MODBUS RTU 网络的可靠通信至关重要。「计算方法：」
    「确定波特率」：首先，您需要知道串行通信的波特率。波特率是每秒传输的符号数。例如，9600 波特率意味着每秒传输 9600 个符号。「计算每个字符的时间」：MODBUS RTU 协议中，每个字符由 11 位组成（起始位 1 位、数据位 8 位、奇偶校验位 1 位、停止位 1 位）。因此，每个字符的时间 = 11 位 / 波特率。例如，如果波特率是 9600，那么每个字符的时间是 11 / 9600 秒。「计算间隔时间」：间隔时间是 3.5 个字符时间。因此，总的间隔时间 = 3.5 × 每个字符的时间。

例如，假设您的波特率是 9600，那么间隔时间的计算将是：
    每个字符的时间 = 11 位 / 9600 波特 = 0.00114583333 秒（大约 1.1458 毫秒）。总间隔时间 = 3.5 × 0.00114583333 秒 = 0.00401041666 秒（大约 4.01 毫秒）。

这个间隔时间被用来检测消息帧的结束，并且也用于确定下一个消息帧的开始。正确设置和维护这个间隔时间是确保 MODBUS RTU 网络稳定运行的关键。

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