工业系统中常用通讯协议 PPT课件
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CRC——循环冗余效验(Cyclical Redundancy Checking) 结束字符： ≥3.5字符
ASCII 模式 起始字符：1字符，: (冒号) 地址域：2个字符 功能码域：2个字符，00～FF(char) 数据域： 最长252×2字符 效验域：2 字符，LRC方式
LRC——纵向冗余效验(Longitudinal Redundancy Checking) 结束字符： CR.LF(回车和换行符)，2字符
MODBUS on Serial与OSI层次对应关系
MODBUS协议的各个层次只采用了OSI层次模型中的三层：物理层，数据链路 层和应用层。各层都有各层相应的标准规范。 物理层：在多种物理媒体上以多种速率采用 CSMA/CD 访问方式
10Base2,10Base5,10BaseTX,10BaseFX 数据链路层：IEEE 802.3
在不同的模式下，PDU的内容是不一样的。 RTU模式——每个字节为1个16进制的数(0～FFH) ASCII模式——每个字节为ASCII码(0～9，A～F)
RTU模式下的报文(PDU)内容
请求PDU
正常应答PDU
异常应答PDU
异常错误子码1 (Error Sub Code )
异常错误子码2
(Error Sub Code 2)
最大帧长：256字节，数据长度是 RTU模式的2倍
M O D B U S 报 文 帧
RTU模式 起始字符：≥3.5字符 地址域：1 Byte，寻址范围0～247 功能码域：1 Byte，0x00h～0xFFh 数据域：N Bytes，最长252Bytes 效验域：2 Bytes (1 Word)，CRC方式
物理层的主要功能是利用物理传输 介质为数据链路层提供物理连接， 以便透明的传送比特流。规定了激 活、维持、关闭通信端点之间的机 械特性、电气特性、功能特性以及 过程特性。在这一层，数据的单位 称为比特（bit）。物理层定义的典 型规范代表包括：EIA/TIA RS-
通讯网络结构模型OSI（三） 232,EIA/TIA RS-449,V.35,RJ-45；
“处理应答”——处理正常的应答数据
MODBUS主/从站状态图
从站状态图
“空闲“——无等待的请求
“检查请求“——请求发出后的状态
“格式化正常应答”——形成正常应答数据并发送，分单播模式和多播模式
“格式化错误应答”——形成错误应答数据并发送
“非本节点地址”——请求地址不是本节点地址，忽略请求，回到"空闲"状态
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 应用层标准：MODBUS Application Protocol MODBUS应用协议
MODBUS on TCP与OSI层次对应关系
MODBUS典型网络结构
MODBUS on Serial——PDU长度为253字节 MODBUS on TCP——PDU长度为249字节
无错误的事务处理过程——事务正常完成，服务器返回客户机所需的数据
错误的事务处理过程——事务异常完成，服务器返回错误代码指示错误原因。 设置请求功能码的MSB为1，因此一般情况下MODBUS协议中80H以上功能码保留。
MODBUS主/从站状态图
两种MODBUS串行模式
RTU模式 允许字符：0x00h～0xFFh 8位二进制位(bit) 1位起始位 1位奇偶校验位 1/1.5位停止位 奇偶校验位可选 LSB->MSB
最大帧长：256字节，数据长度252 字节
ASCII模式 允许字符：0～9，A～F 7位数据位 1位起始位 1位奇偶校验位 1位停止位 奇偶校验位可选 LSB->MSB
2、数据链路层(DataLink Layer)
在此层将数据分帧，并处理流控制。 指定拓扑结构，物理地址寻址、数 据的成帧、流量控制、数据的检错、 重发等。本层的数据称为“数据 帧”。数据链路层协议的代表包括： SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中 继等。
1、物理层 (Physical Layer)
MODBUS on Serial是数据链路层协议，需要定义目的地址和差错效验等功能， 因此定义了应用数据单元ADU。
根据数据链路层协议的不同，ADU的内容是不同的。
MODBUS 数 据 帧
主站状态图
“空闲“——无等待的请求
“等待应答“——请求发出后的状态
“应答检查”——检查应答数据
“错误处理“——应答错误处理
MODBUS主/从站协议基本原理
通讯模式
主站与从站之间有两种通讯模式
单播模式——主节点指定地址的方式请求 数据，子节点根据请求，向主节点返回相 应的数据。在这种情况下，MODBUS通 讯事务只包含2个报文（主节点请求报文 和子节点应答报文）。 子节点在单播模式中的地址必须在网络上 是唯一的(1～247）。
差错控制方法
奇偶校验 (偶或奇) ——每个字符采用 帧检验 (LRC or CRC) ——整个报文 报文有无奇偶校验，均执行帧检验
MODBUS差错控制
RTU模式
循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking)
由两个8 位字节组成的一个16 位值
CRC 域检验整个报文的内容
常用数据类型
(Data Type)
bit——比特类型，通常用于表示开关量状态。 WORD——字类型，通常表示一个数。
浮点数可以采用IEEE754格式，其长度为32bits。占2 个字长。在显示时，注意高低位是否需要交换。
MODBUS RTU报文(PDU)格式
(Format of MODBUS RTU PDU)
报文中附加低字节，然后是高字节
ASCII模式
纵向冗余校验 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking)
RTU模式下的数据流
RTU方式没有明显的起止符号，因此必须规定时间的要求 由发送设备将Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可 以在报文的开始接收新帧，并且知道何时报文结束。 不完整的报文必须能够被检测到，错误标志必须作为结果被设置。 在 RTU 模式，报文帧由时长至少为3.5 个字符时间的空闲间隔区分。这个时间 区间通常被称作t3.5。
广播地址——用于向所有子节点进行请求（0） 子节点地址——同一网络中唯一表示子节点的地址（1～247） 保留地址——MODBUS协议保留的地址（248～255）
协议规定 所有子节点必须识别广播地址0 主节点在网络上没有也不需要地址
MODBUS地址规则
MODBUS是应用层协议，只定义协议数据单元 PDU。
MODBUS 协议
定义与PDU结构
定义：MODBUS协议是一项应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的 总线或网络所连接的设备之间的客户机/服务器通讯。 MODBUS协议定义了一个与基础通讯层无关的简单协议数据单元(PDU)
PDU由通讯发起方负责创建，发起方在协议定义中称为客户机 通讯接收方负责对PDU的应答，通讯接收方在协议定义中称为服务器 一次的通讯过程称为事务处理
OPEN SYSTEM INTERCONNECT
MODBUS分为两种：
串行链路上的MODBUS (MODBUS on Serial Line)
TCP/IP上的MODBUS
(MODBUS on TCP/IP)
串行链路上的MODBUS
TIA/EIA-232-F TIA/EIA-485-A
TCP/IP 上的 MODBUS RFC793和RFC791
串行接口
（Serial Interface）
MODBUS串行链路协议 与OSI模型的对应关系
MODBUS串行链路协议是一个主从协议，主节点发送请求，子节点的响应； 在任何时刻，同一个网络上有且只能有一个主节点存在，有多个子节点（地址1～ 247）。子节点在没有收到主节点的请求时，是沉默的。任何时刻，子节点之间是互 相沉默的。
MODBUS 标 准 分 类
MODBUS协议的各个层次只采用了OSI层次模型中的三层：物理层，数据链路 层和应用层。各层都有各层相应的标准规范。 物理层标准：EIA/TIA-485(或EIA/TIA-232) 数据链路层标准：MODBUS Serial Line Protocol MODBUS串行线协议 应用层标准：MODBUS Application Protocol MODBUS应Leabharlann Baidu协议
自控系统中常用通讯
MODBUS协议
2009年1月15日
名词
EIA—— Electronic Industries Association 美国电子工业协会 TIA——Telecommunications Industry Association 电信工业协会 OSI——Open System Interconnection 开放系统互联 MODBUS——MODICOM 公司定义的通讯协议 ADU——Application Data Unit 应用数据单元 PDU——Protocol Data Unit 协议数据单元 HDLC——High Data Link Control 高级数据链路控制 IP——Internet Protocol 互联网协议 TCP——Transport Control Protocol 传输控制协议 CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 载波监听多路访问/
3、网络层(Network Layer)
本层通过寻址来建立两个节点 之间的连接，它包括通过互连网络 来路由和中继数据；网络层负责对 子网间的数据包进行路由选择。本 层的数据称为“数据包”。网络层 协议的代表包括：IP IPX RIP OSPF 等
通讯网络结构模型OSI（二）
OPEN SYSTEM INTERCONNECT
功能码
(FUNCTION CODE)
功能码——定义某一个PDU的功能
分为公共功能码和用户功能码
公共功能码——唯一的被较好定义 的MODBUS组织认可的功能码
用户功能码——不保证唯一的，各 用户不同的。只能定义65～72和 100～110范围内的功能码。
常用的功能码——01H,02H,03H,04H,05H,06H,16H,23H等
通讯网络结构模型OSI（一） 数据的同步。
OPEN SYSTEM INTERCONNECT
4、传输层(Transport Layer)
传输层负责将上层数据分段并 提供端到端的、可靠的或不可靠的 传输。传输层还要处理端到端的差 错控制和流量控制问题。包括全双 工或半双工、流控制和错误恢复服 务；本层的数据称为“数据段”。 传输层协议的代表包括：TCP UDP SPX等。
冲突检测 IEEE754——浮点数表示标准
网络结构模型 MODBUS协议 串行接口 SI RS485可靠性
网络结 构模型
Network Model
7、应用层(Application Layer)
应用层确定进程之间通信的性质， 以满足用户的需要。不仅要提供应用进程 所需要的信息交换和远程操作，而且还要 作为应用进程的用户代理，为完成一些为 进行信息交换所必需的功能。应用层为操 作系统或网络应用程序提供访问网络服务 的接口。典型的协议:Telnet FTP HTTP SNMP
多播模式——主节点对所有子节点进行请求， 子节点沉默，仅仅根据请求完成相应的自身 功能。在这种情况下，MODBUS通讯事务 只包含1个报文（主节点请求报文）。 子节点在多播模式下地址可以不用考虑，但 是子节点必须能够相应地址0的请求。0在协 议中定义为多播地址。
MODBUS主/从站协议基本原理
MODBUS地址范围——地址域长度为1字节，因此可能的寻址范围0～255 MODBUS协议规定地址范围
6、表示层(Presentation Layer)
主要用于处理两个通信系统中交换 信息的表示方式。它包括数据格式交换、 数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
5、会话层(Session Layer)
在两个节点之间建立端连接。此服务 包括建立连接是以全双工还是以半双工的 方式进行设置，尽管可以在层4中处理双 工方式 。本层管理主机之间的会话进程， 负责建立、管理、终止进程之间的会话。 会话层还利用在数据中插入校验点来实现
ASCII 模式 起始字符：1字符，: (冒号) 地址域：2个字符 功能码域：2个字符，00～FF(char) 数据域： 最长252×2字符 效验域：2 字符，LRC方式
LRC——纵向冗余效验(Longitudinal Redundancy Checking) 结束字符： CR.LF(回车和换行符)，2字符
MODBUS on Serial与OSI层次对应关系
MODBUS协议的各个层次只采用了OSI层次模型中的三层：物理层，数据链路 层和应用层。各层都有各层相应的标准规范。 物理层：在多种物理媒体上以多种速率采用 CSMA/CD 访问方式
10Base2,10Base5,10BaseTX,10BaseFX 数据链路层：IEEE 802.3
在不同的模式下，PDU的内容是不一样的。 RTU模式——每个字节为1个16进制的数(0～FFH) ASCII模式——每个字节为ASCII码(0～9，A～F)
RTU模式下的报文(PDU)内容
请求PDU
正常应答PDU
异常应答PDU
异常错误子码1 (Error Sub Code )
异常错误子码2
(Error Sub Code 2)
最大帧长：256字节，数据长度是 RTU模式的2倍
M O D B U S 报 文 帧
RTU模式 起始字符：≥3.5字符 地址域：1 Byte，寻址范围0～247 功能码域：1 Byte，0x00h～0xFFh 数据域：N Bytes，最长252Bytes 效验域：2 Bytes (1 Word)，CRC方式
物理层的主要功能是利用物理传输 介质为数据链路层提供物理连接， 以便透明的传送比特流。规定了激 活、维持、关闭通信端点之间的机 械特性、电气特性、功能特性以及 过程特性。在这一层，数据的单位 称为比特（bit）。物理层定义的典 型规范代表包括：EIA/TIA RS-
通讯网络结构模型OSI（三） 232,EIA/TIA RS-449,V.35,RJ-45；
“处理应答”——处理正常的应答数据
MODBUS主/从站状态图
从站状态图
“空闲“——无等待的请求
“检查请求“——请求发出后的状态
“格式化正常应答”——形成正常应答数据并发送，分单播模式和多播模式
“格式化错误应答”——形成错误应答数据并发送
“非本节点地址”——请求地址不是本节点地址，忽略请求，回到"空闲"状态
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 应用层标准：MODBUS Application Protocol MODBUS应用协议
MODBUS on TCP与OSI层次对应关系
MODBUS典型网络结构
MODBUS on Serial——PDU长度为253字节 MODBUS on TCP——PDU长度为249字节
无错误的事务处理过程——事务正常完成，服务器返回客户机所需的数据
错误的事务处理过程——事务异常完成，服务器返回错误代码指示错误原因。 设置请求功能码的MSB为1，因此一般情况下MODBUS协议中80H以上功能码保留。
MODBUS主/从站状态图
两种MODBUS串行模式
RTU模式 允许字符：0x00h～0xFFh 8位二进制位(bit) 1位起始位 1位奇偶校验位 1/1.5位停止位 奇偶校验位可选 LSB->MSB
最大帧长：256字节，数据长度252 字节
ASCII模式 允许字符：0～9，A～F 7位数据位 1位起始位 1位奇偶校验位 1位停止位 奇偶校验位可选 LSB->MSB
2、数据链路层(DataLink Layer)
在此层将数据分帧，并处理流控制。 指定拓扑结构，物理地址寻址、数 据的成帧、流量控制、数据的检错、 重发等。本层的数据称为“数据 帧”。数据链路层协议的代表包括： SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中 继等。
1、物理层 (Physical Layer)
MODBUS on Serial是数据链路层协议，需要定义目的地址和差错效验等功能， 因此定义了应用数据单元ADU。
根据数据链路层协议的不同，ADU的内容是不同的。
MODBUS 数 据 帧
主站状态图
“空闲“——无等待的请求
“等待应答“——请求发出后的状态
“应答检查”——检查应答数据
“错误处理“——应答错误处理
MODBUS主/从站协议基本原理
通讯模式
主站与从站之间有两种通讯模式
单播模式——主节点指定地址的方式请求 数据，子节点根据请求，向主节点返回相 应的数据。在这种情况下，MODBUS通 讯事务只包含2个报文（主节点请求报文 和子节点应答报文）。 子节点在单播模式中的地址必须在网络上 是唯一的(1～247）。
差错控制方法
奇偶校验 (偶或奇) ——每个字符采用 帧检验 (LRC or CRC) ——整个报文 报文有无奇偶校验，均执行帧检验
MODBUS差错控制
RTU模式
循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking)
由两个8 位字节组成的一个16 位值
CRC 域检验整个报文的内容
常用数据类型
(Data Type)
bit——比特类型，通常用于表示开关量状态。 WORD——字类型，通常表示一个数。
浮点数可以采用IEEE754格式，其长度为32bits。占2 个字长。在显示时，注意高低位是否需要交换。
MODBUS RTU报文(PDU)格式
(Format of MODBUS RTU PDU)
报文中附加低字节，然后是高字节
ASCII模式
纵向冗余校验 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking)
RTU模式下的数据流
RTU方式没有明显的起止符号，因此必须规定时间的要求 由发送设备将Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可 以在报文的开始接收新帧，并且知道何时报文结束。 不完整的报文必须能够被检测到，错误标志必须作为结果被设置。 在 RTU 模式，报文帧由时长至少为3.5 个字符时间的空闲间隔区分。这个时间 区间通常被称作t3.5。
广播地址——用于向所有子节点进行请求（0） 子节点地址——同一网络中唯一表示子节点的地址（1～247） 保留地址——MODBUS协议保留的地址（248～255）
协议规定 所有子节点必须识别广播地址0 主节点在网络上没有也不需要地址
MODBUS地址规则
MODBUS是应用层协议，只定义协议数据单元 PDU。
MODBUS 协议
定义与PDU结构
定义：MODBUS协议是一项应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的 总线或网络所连接的设备之间的客户机/服务器通讯。 MODBUS协议定义了一个与基础通讯层无关的简单协议数据单元(PDU)
PDU由通讯发起方负责创建，发起方在协议定义中称为客户机 通讯接收方负责对PDU的应答，通讯接收方在协议定义中称为服务器 一次的通讯过程称为事务处理
OPEN SYSTEM INTERCONNECT
MODBUS分为两种：
串行链路上的MODBUS (MODBUS on Serial Line)
TCP/IP上的MODBUS
(MODBUS on TCP/IP)
串行链路上的MODBUS
TIA/EIA-232-F TIA/EIA-485-A
TCP/IP 上的 MODBUS RFC793和RFC791
串行接口
（Serial Interface）
MODBUS串行链路协议 与OSI模型的对应关系
MODBUS串行链路协议是一个主从协议，主节点发送请求，子节点的响应； 在任何时刻，同一个网络上有且只能有一个主节点存在，有多个子节点（地址1～ 247）。子节点在没有收到主节点的请求时，是沉默的。任何时刻，子节点之间是互 相沉默的。
MODBUS 标 准 分 类
MODBUS协议的各个层次只采用了OSI层次模型中的三层：物理层，数据链路 层和应用层。各层都有各层相应的标准规范。 物理层标准：EIA/TIA-485(或EIA/TIA-232) 数据链路层标准：MODBUS Serial Line Protocol MODBUS串行线协议 应用层标准：MODBUS Application Protocol MODBUS应Leabharlann Baidu协议
自控系统中常用通讯
MODBUS协议
2009年1月15日
名词
EIA—— Electronic Industries Association 美国电子工业协会 TIA——Telecommunications Industry Association 电信工业协会 OSI——Open System Interconnection 开放系统互联 MODBUS——MODICOM 公司定义的通讯协议 ADU——Application Data Unit 应用数据单元 PDU——Protocol Data Unit 协议数据单元 HDLC——High Data Link Control 高级数据链路控制 IP——Internet Protocol 互联网协议 TCP——Transport Control Protocol 传输控制协议 CSMA/CD——Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 载波监听多路访问/
3、网络层(Network Layer)
本层通过寻址来建立两个节点 之间的连接，它包括通过互连网络 来路由和中继数据；网络层负责对 子网间的数据包进行路由选择。本 层的数据称为“数据包”。网络层 协议的代表包括：IP IPX RIP OSPF 等
通讯网络结构模型OSI（二）
OPEN SYSTEM INTERCONNECT
功能码
(FUNCTION CODE)
功能码——定义某一个PDU的功能
分为公共功能码和用户功能码
公共功能码——唯一的被较好定义 的MODBUS组织认可的功能码
用户功能码——不保证唯一的，各 用户不同的。只能定义65～72和 100～110范围内的功能码。
常用的功能码——01H,02H,03H,04H,05H,06H,16H,23H等
通讯网络结构模型OSI（一） 数据的同步。
OPEN SYSTEM INTERCONNECT
4、传输层(Transport Layer)
传输层负责将上层数据分段并 提供端到端的、可靠的或不可靠的 传输。传输层还要处理端到端的差 错控制和流量控制问题。包括全双 工或半双工、流控制和错误恢复服 务；本层的数据称为“数据段”。 传输层协议的代表包括：TCP UDP SPX等。
冲突检测 IEEE754——浮点数表示标准
网络结构模型 MODBUS协议 串行接口 SI RS485可靠性
网络结 构模型
Network Model
7、应用层(Application Layer)
应用层确定进程之间通信的性质， 以满足用户的需要。不仅要提供应用进程 所需要的信息交换和远程操作，而且还要 作为应用进程的用户代理，为完成一些为 进行信息交换所必需的功能。应用层为操 作系统或网络应用程序提供访问网络服务 的接口。典型的协议:Telnet FTP HTTP SNMP
多播模式——主节点对所有子节点进行请求， 子节点沉默，仅仅根据请求完成相应的自身 功能。在这种情况下，MODBUS通讯事务 只包含1个报文（主节点请求报文）。 子节点在多播模式下地址可以不用考虑，但 是子节点必须能够相应地址0的请求。0在协 议中定义为多播地址。
MODBUS主/从站协议基本原理
MODBUS地址范围——地址域长度为1字节，因此可能的寻址范围0～255 MODBUS协议规定地址范围
6、表示层(Presentation Layer)
主要用于处理两个通信系统中交换 信息的表示方式。它包括数据格式交换、 数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
5、会话层(Session Layer)
在两个节点之间建立端连接。此服务 包括建立连接是以全双工还是以半双工的 方式进行设置，尽管可以在层4中处理双 工方式 。本层管理主机之间的会话进程， 负责建立、管理、终止进程之间的会话。 会话层还利用在数据中插入校验点来实现