Modbus plus описание протокола. Код функции чтения регистра. Протокол ModBus RTU

В этой статье вы узнаете о протоколе Modbus TCP, который является развитием протокола Modbus RTU. Англоязычная версия статьи доступна на ipc2u.com .

Куда посылать команду Modbus TCP?

В сети Ethernet адресом устройства является его IP-адрес. Обычно устройства находятся в одной подсети, где IP адреса отличаются последними цифрами 192.168.1.20 при использовании самой распространённой маски подсети 255.255.255.0.

Интерфейсом является сеть Ethernet , протоколом передачи данных – TCP/IP .

Используемый TCP-порт: 502 .

Описание протокола Modbus TCP

Команда Modbus TCP состоит из части сообщения Modbus RTU и специального заголовка.

Из сообщения Modbus RTU удаляется SlaveID адрес в начале и CRC контрольная сумма в конце, что образует PDU, Protocol Data Unit.

Ниже приведен пример запроса Modbus RTU для получения значения AO аналогового выхода (holding registers) из регистров от #40108 до 40110 с адресом устройства 17.

11 03 006B 0003 7687

Отбрасываем адрес устройства SlaveID и контрольную сумму CRC и получаем PDU:

03 006B 0003

К началу получившегося сообщения PDU добавляется новый 7-байтовый заголовок, который называется MBAP Header (Modbus Application Header). Этот заголовок имеет следующие данные:

Transaction Identifier (Идентификатор транзакции) : 2 байта устанавливаются Master, чтобы однозначно идентифицировать каждый запрос. Может быть любыми. Эти байты повторятся устройством Slave в ответе, поскольку ответы устройства Slave не всегда могут быть получены в том же порядке, что и запросы.

Protocol Identifier (Идентификатор протокола) : 2 байта устанавливаются Master, всегда будут = 00 00, что соответствует протоколу Modbus.

Length (Длина) : 2 байта устанавливаются Master, идентифицирующие число байтов в сообщении, которые следуют далее. Считается от Unit Identifier до конца сообщения.

Unit Identifier (Идентификатор блока или адрес устройства) : 1 байт устанавливается Master. Повторяется устройством Slave для однозначной идентификации устройства Slave.

Итого получаем:

В ответе от Modbus TCP Slave устройства мы получим:

0001 0000 0009 11 03 06 022B 0064 007F

Регистр аналогового выхода AO0 имеет значение 02 2B HEX или 555 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода АО1 имеет значение 00 64 HEX или 100 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода АО2 имеет значение 00 7F HEX или 127 в десятичной системе.

Типы команд Modbus TCP

Приведем таблицу с кодами функций чтения и записи регистров Modbus TCP.

Как послать команду Modbus TCP на чтение дискретного вывода? Команда 0x01

Эта команда используется для чтения значений дискретных выходов DO.

В запросе PDU задается начальный адрес первого регистра DO и последующее количество необходимых значений DO. В PDU значения DO адресуются, начиная с нуля.

Значения DO в ответе находятся в одном байте и соответствуют значению битов.

Значения битов определяются как 1 = ON и 0 = OFF.

Младший бит первого байта данных содержит значение DO адрес которого указывался в запросе. Остальные значения DO следуют по нарастающей к старшему значению байта. Т.е. справа налево.

Если запрашивалось меньше восьми значений DO, то оставшиеся биты в ответе будут заполнены нулями (в направлении от младшего к старшему байту). Поле Byte Count Количество байт далее указывает количество полных байтов данных в ответе.

Состояния выходов DO0-1 показаны как значения байта 02 hex, или в двоичной системе 0000 0010.

Значение DO1 будет вторым справа, а значение DO0 будет первым справа (младший бит).

Шесть остальных битов заполнены нулями до полного байта, т.к. их не запрашивали.

Модули с дискретным выводом: ioLogik E1211 , ET-7060 , ADAM-6060

Как послать команду Modbus TCP на чтение дискретного ввода? Команда 0x02

Эта команда используется для чтения значений дискретных входов DI.

Запрос и ответ для DI похож на запрос для DO.

Состояния выходов DI 0-1 показаны как значения байта 03 hex, или в двоичной системе 0000 0011.

Значение DI1 будет вторым справа, а значение DI0 будет первым справа (младший бит).

Шесть остальных битов заполнены нулями.

Модули с дискретным вводом: ioLogik E1210 , ET-7053 , ADAM-6050

Как послать команду Modbus TCP на чтение аналогового вывода? Команда 0x03

Эта команда используется для чтения значений аналоговых выходов AO.

Состояния выхода AO0 показаны как значения байта 02 2B hex, или в десятичной системе 555.

Состояния выхода AO1 показаны как значения байта 00 64 hex, или в десятичной системе 100.

Модули с дискретным вводом: ioLogik E1210 , ET-7053 , ADAM-6050

Как послать команду Modbus TCP на чтение аналогового ввода? Команда 0x04

Эта команда используется для чтения значений аналоговых входов AI.

Состояния выхода AI0 показаны как значения байта 00 0A hex, или в десятичной системе 10.

Состояния выхода AI1 показаны как значения байта 00 64 hex, или в десятичной системе 100.

Модули с аналоговым вводом: ioLogik E1240 , ET-7017-10 , ADAM-6217

Как послать команду Modbus TCP на запись дискретного вывода? Команда 0x05

Эта команда используется для записи одного значения дискретного выхода DO.

Значение FF 00 hex устанавливает выход в состояние включен ON.

Значение 00 00 hex устанавливает выход в состояние выключен OFF.

Все остальные значения недопустимы и не будут влиять на состояние выхода.

Нормальный ответ на такой запрос - это эхо (повтор запроса в ответе), возвращается после того, как состояние DO было изменено.

Модули с дискретным выводом: ioLogik E1211 , ET-7060 , ADAM-6060

Как послать команду Modbus TCP на запись аналогового вывода? Команда 0x06

Эта команда используется для записи одного значения аналогового выхода AO.

Состояние выхода AO0 поменялось на 55 FF hex, или в десятичной системе 22015.

Модули с аналоговым выводом: ioLogik E1241 , ET-7028 , ADAM-6224

Как послать команду Modbus TCP на запись нескольких дискретных выводов? Команда 0x0F

Эта команда используется для записи нескольких значений дискретного выхода DO.

Состояние выхода DO1 поменялось с выключен OFF на включен ON.

Состояние выхода DO0 осталось выключен OFF.

Модули с дискретным выводом: ioLogik E1211 , ET-7060 , ADAM-6060

Как послать команду Modbus TCP на запись нескольких аналоговых выводов? Команда 0x10

Эта команда используется для записи нескольких значений аналогового выхода AO.

Состояние выхода AO0 поменялось на 00 0A hex, или в десятичной системе 10.

Modbus -коммуникационный протокол, основан на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Использует для передачи данных интерфейсы RS-485, RS-422, RS-232, а также Ethernet сети TCP/IP (протокол Modbus TCP).

Сообщение Modbus RTU состоит из адреса устройства SlaveID, кода функции, специальных данных в зависимости от кода функции и CRC контрольной суммы.

Если отбросить SlaveID адрес и CRC контрольную сумму, то получится PDU, Protocol Data Unit.

SlaveID – это адрес устройства, может принимать значение от 0 до 247, адреса с 248 до 255 зарезервированы.

Данные в модуле хранятся в 4 таблицах.

Две таблицы доступны только для чтения и две для чтения-записи.

В каждой таблице помещается 9999 значений.

В сообщении Modbus используется адрес регистра.

Например, первый регистр AO Holding Register, имеет номер 40001, но его адрес равен 0000.

Разница между этими двумя величинами есть смещение offset.

Каждая таблица имеет свое смещение, соответственно: 1, 10001, 30001 и 40001.

Ниже приведен пример запроса Modbus RTU для получения значения AO аналогового выхода (holding registers) из регистров от #40108 до 40110 с адресом устройства 17.

11 03 006B 0003 7687

В ответе от Modbus RTU Slave устройства мы получим:

11 03 06 AE41 5652 4340 49AD

Регистр аналогового выхода AO0 имеет значение AE 41 HEX или 44609 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода AO1 имеет значение 56 52 HEX или 22098 в десятичной системе.

Регистр аналогового выхода AO2 имеет значение 43 40 HEX или 17216 в десятичной системе.

Значение AE 41 HEX - это 16 бит 1010 1110 0100 0001, может принимать различное значение, в зависимости от типа представления.

Значение регистра 40108 при комбинации с регистром 40109 дает 32 бит значение.

Пример представления.

Какие бывают команды Modbus RTU?

Приведем таблицу с кодами функций чтения и записи регистров Modbus RTU.

Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного вывода? Команда 0x01

Эта команда используется для чтения значений дискретных выходов DO.

В запросе PDU задается начальный адрес первого регистра DO и последующее количество необходимых значений DO. В PDU значения DO адресуются, начиная с нуля.

Значения DO в ответе находятся в одном байте и соответствуют значению битов.

Значения битов определяются как 1 = ON и 0 = OFF.

Младший бит первого байта данных содержит значение DO адрес которого указывался в запросе. Остальные значения DO следуют по нарастающей к старшему значению байта. Т.е. справа на лево.

Если запрашивалось меньше восьми значений DO, то оставшиеся биты в ответе будут заполнены нулями (в направлении от младшего к старшему байту). Поле Byte Count Количество байт далее указывает количество полных байтов данных в ответе.

Пример запроса DO с 20 по 56 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0013 hex = 19, т.к. счет ведется с 0 адреса (0014 hex = 20, -1 смещение нуля = получаем 0013 hex = 19).

Состояния выходов DO 27-20 показаны как значения байта CD hex, или в двоичной системе 1100 1101.

В регистре DO 56-52 5 битов справа были запрошены, а остальные биты заполнены нулями до полного байта (000 1 1011).

Модули с дискретным выводом: M-7065 , ioLogik R1214 , ADAM-4056S

Как послать команду Modbus RTU на чтение дискретного ввода? Команда 0x02

Эта команда используется для чтения значений дискретных входов DI.

Пример запроса DI с регистров от #10197 до 10218 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 00C4 hex = 196, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с дискретным вводом: M-7053 , ioLogik R1210 , ADAM-4051

Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового вывода? Команда 0x03

Эта команда используется для чтения значений аналоговых выходов AO.

Пример запроса AO с регистров от #40108 до 40110 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 006B hex = 107, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым выводом: M-7024 , ioLogik R1241 , ADAM-4024

Как послать команду Modbus RTU на чтение аналогового ввода? Команда 0x04

Эта команда используется для чтения значений аналоговых входов AI.

Пример запроса AI с регистра #30009 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0008 hex = 8, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым вводом: M-7017 , ioLogik R1240 , ADAM-4017+

Как послать команду Modbus RTU на запись дискретного вывода? Команда 0x05

Эта команда используется для записи одного значения дискретного выхода DO.

Значение FF 00 hex устанавливает выход в значение включен ON.

Значение 00 00 hex устанавливает выход в значение выключен OFF.

Все остальные значения недопустимы и не будут влиять значение на выходе.

Нормальный ответ на такой запрос - это эхо (повтор запроса в ответе), возвращается после того, как состояние DO было изменено.

Пример записи в DO с регистром #173 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес регистра будет 00AC hex = 172, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Состояние выхода DO173 поменялось с выключен OFF на включен ON.

Модули с дискретным выводом: M-7053 , ioLogik R1210 , ADAM-4051

Как послать команду Modbus RTU на запись аналогового вывода? Команда 0x06

Эта команда используется для записи одного значения аналогового выхода AO.

Пример записи в AO с регистром #40002 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0001 hex = 1, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Модули с аналоговым выводом: M-7024 , ioLogik R1241 , ADAM-4024

Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких дискретных выводов? Команда 0x0F

Эта команда используется для записи нескольких значений дискретного выхода DO.

Пример записи в несколько DO с регистрами от #20 до #29 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес регистра будет 0013 hex = 19, т.к. счет ведется с 0 адреса.

В ответе возвращается количество записанных регистров.

Модули с дискретным выводом: M-7053 , ioLogik R1210 , ADAM-4051

Как послать команду Modbus RTU на запись нескольких аналоговых выводов? Команда 0x10

Эта команда используется для записи нескольких значений аналогового выхода AO.

Пример записи в несколько AO с регистрами #40002 и #40003 для SlaveID адреса устройства 17. Адрес первого регистра будет 0001 hex = 1, т.к. счет ведется с 0 адреса.

Данная статья описывает основы работы с протоколом Modbus. В статье вы можете найти:

• Описание Modbus
• Пример применения
• Описание программы Onitex Modbus Terminal

Основные принципы Modbus

Modbus — коммуникационный протокол, основанный на клиент-серверной архитектуре. В данной статье мы рассмотрим основы протокола и базовые принципы работы. Кроме того, вы можете ознакомиться с конкретными примерами работы протокола Modbus, изучив описания контроллеров, использующих этот протокол, к примеру, OSM-17RA, а так же скачав программу Modbus Terminal, позволяющую удобно работать с различными регистрами Modbus.

Протокол Modbus разработан для использования в программируемых логических контроллерах, таких, как управление электроприводом. В настоящее время является очень распространенным протоколом, используемых в различных промышленных системах. К примеру, данный протокол используется в контроллерах шаговых двигателей Онитекс. Широко используется для передачи данных последовательные линии связи, основанных на интерфейсах RS-485, RS-422, RS-232. В начале развития применялся интерфейс RS-232, как один из наиболее простых промышленных интерфейсов для последовательной передачи данных. В настоящее время протокол часто используется поверх интерфейса RS-485, что позволяет добиться высокой скорости передачи, больших расстояний и объединения нескольких устройств в единую сеть, тем более что протокол Modbus поддерживает адресацию. Широкая распространенность протокола Modbus, обусловленная его простотой и надежностью, позволяет легко интегрировать устройства, поддерживающие Modbus, в единую сеть.

Основной особенностью протокола является наличие в сети одного ведущего устройства - master. Только ведущее устройство может опрашивать остальные устройства сети, которые являются ведомыми (slave). Подчиненное устройство не может самостоятельно инициировать передачу данных или запрашивать какие-либо данные у других устройств, работа сети строится только по принципу "запрос-ответ". Мастер может так же выдать широковещательный запрос, адресованный всем устройствам в сети, в таком случае ответное сообщение не посылается.

Существует три типа протокола Modbus: Modbus ASCII, Modbus RTU и Modbus TCP. Устройства Onitex поддерживают протокол Modbus RTU, поэтому мы в дальнейшем будем иметь в виду прежде всего этот протокол.

Пакет данных в Modbus выглядит следующим образом:

Адрес | Код функции | Данные | Контрольная сумма.

Адрес - это поле, содержащее номер устройства, которому адресован запрос. Каждое устройство в сети должно иметь уникальный адрес. Устройство отвечает только на те запросы, которые поступают по его адресу, во избежание конфликтов. При этом, ведомое устройство в своем ответе так же посылает поле Адрес , кроме широковещательного запроса (когда ответа от ведомого быть вообще не должно).

Код функции содержит номер функции модбаса (о функциях будет сказано ниже). Функция может запрашивать данные или давать команду на определенные действия. Коды функций являются числами в диапазоне от 1 до 127. Функции с номерами от 128 до являются зарезервированными для пересылки в ответном сообщении информации об ошибках.

В поле Данные содержится информация, которую передает мастер слэйву, либо наоборот в случае ответного сообщения. Длина этого поля зависит от типа передаваемых данных.

Поле Контрольная сумма является важным элементом протокола: в нем содержится информация, необходимая для проверки целостности сообщения и отсутствия ошибок передачи.

Максимальный размер пакета для сетей RS232/RS485 — 256 байт, для сетей TCP — 260 байт.

Существует три типа функций:

1. Стандартные. Описание этих функций опубликовано и утверждено Modbus-IDA. Эта категория включает в себя как опубликованные, так и свободные в настоящее время коды.
2. Пользовательские. Два диапазона кодов (от 65 до 72 и от 100 до 110), для которых пользователь может создать произвольную функцию.
3. Зарезервированные. В эту категорию входят коды функций, не являющиеся стандартными, но уже используемые в устройствах, производимых различными компаниями. К этим кодам относятся 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.

Modbus RTU

При использовании режима Modbus RTU сообщение начинается с так называемого интервала тишины, равного времени передачи 3.5 символов, при заданной скорости обмена. Первым полем передается адрес устройства. Вслед за последним передаваемым символом также следует интервал тишины продолжительностью не менее 3.5 символов. Новое сообщение может начинаться после этого интервала. Фрейм сообщения передаётся непрерывно. Если интервал тишины продолжительностью 1.5 возник во время передачи фрейма, принимающее устройство должно игнорировать этот фрейм как неполный. Если новое сообщение начнется раньше интервала 3.5 символа, принимающее устройство воспримет его как продолжение предыдущего сообщения. В этом случае устанавливается ошибка CRC (несовпадение контрольной суммы).

Типы данных и стандартные функции Modbus

Типы данных протокола Modbus представлены в таблице:

Для чтения значений из этих выше таблиц данных используются функции с кодами 1—4 (0x01—0x04) :
1 (0x01) — чтение значений из нескольких регистров флагов (Read Coil Status)
2 (0x02) — чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs)
3 (0x03) — чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers)
4 (0x04) — чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers)

Запрос состоит из адреса первого элемента таблицы, значение которого требуется прочитать, и количества считываемых элементов. Адрес и количество данных задаются 16-битными числами, старший байт каждого из них передается первым.
В ответе передаются запрошенные данные. Количество байт данных зависит от количества запрошенных элементов. Перед данными передается один байт, значение которого равно количеству байт данных.

Запись одного значения происходит при помощи следующих функций:
5 (0x05) — запись значения одного флага (Force Single Coil)
6 (0x06) — запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register)

Команда состоит из адреса элемента (2 байта) и устанавливаемого значения (2 байта). Если команда выполнена успешно, ведомое устройство возвращает копию запроса.

Запись нескольких значений задается функциями:
15 (0x0F) — запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)
16 (0x10) — запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)

Команда состоит из адреса элемента, количества изменяемых элементов, количества передаваемых байт устанавливаемых значений и самих устанавливаемых значений. В ответе ведомый передает начальный адрес и количество изменённых элементов.

Пример устройства Modbus

Рассмотрим работу протокола на примере контроллера шагового двигателя. В документации на контроллер описано назначение регистров Modbus, которые в нем использованы. Для управления двигателем необходимо задать параметры контроллера, параметры вращения и непосредственно команду. Вся работа с контроллером при использовании протокола Модбас сводится к работе с регистрами, то есть чтению и записи. Наш контроллер имеет всего один тип регистров: Holding Registers. Этот тип регистров предназначен как для чтения, так и для записи параметров. В контроллере использовано три типа регистров: 8, 16 и 32 бита. Таким образом, для работы с ним нам понадобится использование всего лишь нескольких функций: Read Holding Registers для чтения, Preset Single Register для записи регистров размерностью 8 и 16 бит, и Preset Multiple Registers для записи дначений в регистры длиной 32 бита.

Для начала работы с контроллером необходимо установить параметры контроллера и вращения. Делается это последовательной записью нужных параметров в регистры согласно документации, используя необходимые функции. При этом, каждая запись параметра вызывает соответствующий обработчик в контроллере, который по необходимости проверяет диапазоны значений или проводит другие необходимые действия. По сути, контроллер производит прерывание по изменению значения в регистре. Такая возможность существенно расширяет возможности применения протокола Modbus.

После записи всех параметров производится запись самой команды в соответствующий регистр. Такая организация работы с протоколом Modbus весьма удобна для практического применения, так как позволяет обходиться всего лишь тремя стандартными функциями. Во время выполнения команды доступ во все регистры сохраняется, в частности, мы можем прочитать значение счетчика позиции, при необходимости обнулить его, изменить скорость, либо задать новую команду, не дожидаясь выполнения старой. Еще одной особенностью применения протокола Modbus является то, что все регистры сохраняют свои значения до их перезаписи, поэтому, если нам необходимо повторить движение с теми же параметрами, мы протсо записываем команду движения в регистр команд и двигатель повторяет прошлое задание. Это не только упрощает управление, но и уменьшает траффик между контроллером двигателя и управляющим устройством.

Таким образом, использование протокола Modbus позволило сделать управление шаговым двигателем очень простым, качественным и надежным.

Для отладки устройств с протоколом Modbus нами разработана программа OSM Modbus Terminal. Данная программа позволяет быстро освоить основные принципы управления устройствами OSM MB по протоколу Modbus RTU, проверить корректную работу устройства и быст-рее написать собственное программное обеспечение. Скачать программу можно в разделе Программное обеспечение на нашем сайте.

Программа представляет собой карту регистров, каждому из которых можно задать адрес, тип значения и название. В каждом регистре имеется возмож-ность чтения и записи значения. В окне «LogOut» можно наблюдать вывод лога по результатам каждого действия, в т. ч. и возникшие ошибки.

Для начала работы с программой необходимо установить адрес порта ПК и адрес устройства, и нажать кнопку «Connect». После этого можно производить чтение и запись в требуемые регистры. При необходимости можно сохранить названия и адреса используемых регистров кнопкой «Save». Программа написана с использованием OsmModbusDriver_SDK и может служить примером использования SDK.

Все права защищены. Перепечатка материалов с сайта возможно только с разрешения администрации

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:

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:

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.

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 .

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.

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.

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.

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

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.

Ответ (повторяет запрос).

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.

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

ModBus и специализированные протоколы.

Теперь можете сравнить протокол ModBus со специализированном протоколом из .

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.