Modbus協議和串口通訊協議有什么不同
2018-05-03 13:46:59
諾塔斯智能科技
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最近有人問Modbus協議的讀卡器。在這里主要想說一下Modbus協議和串口通訊協議都有232 485通訊 。但Modbus協議和串口通訊協議這兩者不是一個類別的概念，串口通訊指的是兩個設備之間通過485或232串口連接，在串口信道上實現數據通訊。modbus指的是一種工業標準的數據對話協議，對于保持寄存器，輸入寄存器，輸出寄存器，線圈寄存器等不同的寄存器數值的讀寫，均定義了專門的指令和數據交換規范。modbus協議需要在與modbus標準的工業設備進行數據通訊時使用，既可以通過串口實現連接，也可以通過TCP以太網鏈接。
Modbus 協議
Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。
當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。
此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協議作為他們之間的通訊標準。
特點
Modbus具有以下幾個特點：
（1）標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產品超過600種。
（2）Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。
（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。
Modbus網絡傳輸
標準的Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經由Modem組網。
控制器通信使用主—從技術，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢）。其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。典型的主設備：主機和可編程儀表。典型的從設備：可編程控制器。
主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發送的數據、一錯誤檢測域。
從設備回應消息也由Modbus協議構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發生一錯誤，或從設備不能執行其命令，從設備將建立一錯誤消息并把它作為回應發送出去。
其它類型傳輸
在其它網絡上，控制器使用對等技術通信，故任何控制器都能初始化和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。提供的多個內部通道可允許同時發生的傳輸進程。
在消息位，Modbus協議仍提供了主—從原則，盡管網絡通信方法是“對等”。如果一控制器發送一消息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一從設備回應格式并返回給發送的控制器。
查詢回應周期
（1）查詢
查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能。數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。
（2）回應
如果從設備產生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據：像寄存器值或狀態。如果有錯誤發生，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內容是否可用。
傳輸方式編輯
在ModBus系統中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠程終端設備）。
用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網絡，它定義了在這些網絡上連續傳輸的消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網絡上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉成與串行傳輸無關的幀。
★RS232接口
RS-232接口符合美國電子工業聯盟（EIA）制定的串行數據通信的接口標準，原始編號全稱是EIA-RS-232（簡稱232，RS232）。它被廣泛用于計算機串行接口外設連接。連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。
特點
RS-232是現在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點：
（1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片。RS232接口任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏輯“1”為-3— -15V；邏輯“0”：+3— +15V ，噪聲容限為2V。即要求接收器能識別高于+3V的信號作為邏輯“0”，低于-3V的信號作為邏輯“1”，TTL電平為5V為邏輯正，0為邏輯負。與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。
（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；因此在51CPLD開發板中，綜合程序波特率只能采用19200，也是這個原因。
（3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。
（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右
。
分類：DB9、DB25、DB25轉DB9
在RS-232標準中，字符是以一串行的比特串來一個接一個的串行（serial）方式傳輸，優點是傳輸線少，配線簡單，傳送距離可以較遠。最常用的編碼格式是異步起停（asynchronousstart-stop）格式，它使用一個起始比特后面緊跟7或8 個數據比特（bit），然后是可選的奇偶校驗比特，最后是一或兩個停止比特。所以發送一個字符至少需要10比特，帶來的一個好的效果是使全部的傳輸速率，發送信號的速率以10劃分。一個最平常的代替異步起停方式的是使用高級數據鏈路控制協議（HDLC）。
在RS-232標準中定義了邏輯1和邏輯0電壓級數，以及標準的傳輸速率和連接器類型。信號大小在正的和負的3－15v之間。RS-232規定接近0的電平是無效的，邏輯1規定為負電平，有效負電平的信號狀態稱為傳號marking，它的功能意義為OFF，邏輯0規定為正電平，有效正電平的信號狀態稱為空號spacing，它的功能意義為ON。根據設備供電電源的不同，±5、±10、±12和±15這樣的電平都是可能的。
mark和space是從電傳打字機中來的術語。電傳打字機原始的通信是一個簡單的中斷直流電路模式，類似與圓轉盤電話撥號的中的信號。Marking狀態是指電路是斷開的，spacing狀態就是指電路是接通的。一個space就表明有一個字符要開始發送了，相應的停止的時候，停止位就是marking。當線路中斷的時候，電傳打字機不打印任何有效字符，周期性的連續收到全0信號
RS-232設計之初是用來連接調制解調器做傳輸之用，也因此它的腳位意義通常也和調制解調器傳輸有關。RS-232的設備可以分為數據終端設備（DTE，Data Terminal Equipment, Forexample, PC）和數據通信設備（DCE，Data Communication Equipment）兩類，這種分類定義了不同的線路用來發送和接受信號。一般來說，計算機和終端設備有DTE連接器，調制解調器和打印機有DCE連接器。但是這么說并不是總是嚴格正確的，用配線分接器測試連接，或者用試誤法來判斷電纜是否工作，常常需要參考相關的文件說明。
RS-232指定了20個不同的信號連接，由25個D-sub（微型D類）管腳構成的DB-25連接器。很多設備只是用了其中的一小部分管腳，出于節省資金和空間的考慮不少機器采用較小的連接器，特別是9管腳的D-sub或者是DB-9型連接器被廣泛使用絕大多數自IBM的AT機之后的PC機和其他許多設備上。DB-25和DB-9型的連接器在大部分設備上是雌型，但不是所有的都是這樣。最近，8管腳的RJ-45型連接器變得越來越普遍，盡管它的管腳分配相差很大。EIA/TIA561標準規定了一種管腳分配的方法，但是由DaveYost發明的被廣泛使用在Unix計算機上的Yost串連設備配線標準（"Yost Serial Device WiringStandard"）以及其他很多設備都沒有采用上述任一種連線標準。
★RS485
智能儀表是隨著80年代初單片機技術的成熟而發展起來的，現在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業信息化的需要，企業在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯網通信接口。最初是數據模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現點對點的通信方式，但這種方式不能實現聯網功能。隨后出現的RS485解決了這個問題。
特點
1.RS-485的電氣特性：采用差分信號負邏輯，邏輯"1”以兩線間的電壓差為+(2~6)V表示；邏輯"0"以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。
2.RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。
3.RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。
4.RS-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100KbpS的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節點，最大的可以支持到400個節點。
接口
RS485接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制（以前有四線制接法，只能實現點對點的通信方式，現很少采用），多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。
另有一個問題是信號地，上述連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：(1)共模干擾問題： RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠，甚至損壞接口。(2)EMI(電磁兼容性)問題：發送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。
由于PC機默認的只有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路：
1）通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號，對于情況比較復雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離柵的產品。
2）通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。