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1、 目 录一、Modbus 协议分析.11.1 两种传输方式.21.2 Modbus 消息帧.31.3 错误检测方法.5二、程序设计思想.62.1 总体设计.62.2 硬件设计.72.2.1 单片机串行通信功能.72.2.2 MAX232 芯片 .82.2.3 整体电路设计.92.3 软件设计.102.3.1 主机系统软件设计.102.3.2 从机系统软件设计.12三、程序代码.151基于基于 51 单片机的双机串行通信设计单片机的双机串行通信设计一、一、Modbus 协议分析协议分析Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器 相互之间、控制器经由网络和其它设备之间
2、可以通信。它已经成为一通用工业 标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此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。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其 它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共 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，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
3、展了根据具体的网 络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。 1) 在 Modbus 网络上转输标准的 Modbus 口是使用一 RS-232C 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、 电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由 Modem 组网。控制器通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询） 。 其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备： 主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单 独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何 回应。Modbus
4、协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、 所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由 Modbus 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回 的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能 执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 2) 在其它类型网络上传输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控 制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设 备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在消息位，Modbus 协议仍提供了主从原则，尽管网络通信方法是“对等” 。如果一控制器
5、发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。 同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控2制器。 3) 查询回应周期 （i）查询查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含 了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码 03 是要求从设备读保持寄 存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开 始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否 正确的方法。 （ii）回应如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中 的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状
6、态。如 果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段 包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。1.1 两种传输方式两种传输方式控制器能设置为两种传输模式（ASCII 或 RTU）中的任何一种在标准的 Modbus 网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方 式等） ，在配置每个控制器的时候，在一个 Modbus 网络上的所有设备都必须选 择相同的传输模式和串口参数。 ASCII 模式:地址功能代 码数据数 量数据 1.数据 nLRC 高字 节LRC 低字 节回车 换行RTU 模式 地址功能代码数据数量数据 1.数据 nC
7、RC 高字节CRC 低字节所选的 ASCII 或 RTU 方式仅适用于标准的 Modbus 网络，它定义了在这些网 络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解 码。 在其它网络上（像 MAP 和 Modbus Plus）Modbus 消息被转成与串行传输无 关的帧。 1)ASCII 模式 当控制器设为在 Modbus 网络上以 ASCII（美国标准信息交换代码）模式通 信，在消息中的每个 8Bit 字节都作为两个 ASCII 字符发送。这种方式的主要优 点是字符发送的时间间隔可达到 1 秒而不产生错误。 代码系统 十六进制，ASCII 字符 0.9，A.F，消息中的每
8、个 ASCII 字符都是一个 十六进制字符组成每个字节的位。 1 个起始位 7 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位（有校验时） ，2 个 Bit（无校验时） 错误检测域 LRC(纵向冗长检测) 2)RTU 模式3当控制器设为在 Modbus 网络上以 RTU（远程终端单元）模式通信，在消息 中的每个 8Bit 字节包含两个 4Bit 的十六进制字符。这种方式的主要优点是： 在同样的波特率下，可比 ASCII 方式传送更多的数据。 代码系统 8 位二进制，十六进制数 0.9，A.F 消息中的每个 8 位域都是一个两个十六进制字符组成 每个字节的位 1 个起始
9、位 8 个数据位，最小的有效位先发送 1 个奇偶校验位，无校验则无 1 个停止位（有校验时） ，2 个 Bit（无校验时） 错误检测域 CRC(循环冗长检测)1.2 Modbus 消息帧消息帧两种传输模式中（ASCII 或 RTU） ，传输设备以将 Modbus 消息帧为有起点和 终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判 断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备） ，判知何时信息已完成。部分 的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。 1) ASCII 帧 使用 ASCII 模式，消息以冒号（:）字符（ASCII 码 3AH）开始，以回车换 行符结束（ASCII
10、码 0DH,0AH） 。 其它域可以使用的传输字符是十六进制的 0.9,A.F。网络上的设备不 断侦测“:”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域（地址域） 来判断是否发给自己的。 消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过 1 秒，否则接收的设备将认为 传输错误。一个典型消息帧如下所示： 起始位设备地址功能代码数据LRC 校验结束符1 个字符2 个字符2 个字符n 个字符2 个字符2 个字符ASCII 消息帧 2) RTU 帧 使用 RTU 模式，消息发送至少要以 3.5 个字符时间的停顿间隔开始。在网 络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的(如下图的 T1-T2-T3-T4 所示
11、)。 传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的 0.9,A.F。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域 （地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个 传输字符之后，一个至少 3.5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的 消息可在此停顿后开始。 整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过 1.5 个字 符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消 息的地址域。同样地，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，接收的设备将认 为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最 后
12、的 CRC 域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示：4起始位设备地址功能代码数据CRC 校验结束符T1-T2-T3-T48Bit8Bitn 个 8Bit16BitT1-T2-T3-T4 RTU 消息帧3) 地址域 消息帧的地址域包含两个字符（ASCII）或 8Bit（RTU） 。可能的从设备地 址是 0.247 (十进制)。单个设备的地址范围是 1.247。主设备通过将要联 络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息 时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出 回应。地址 0 是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当 Modbus 协议用 于更高水准的网络
