基于Modbus的主從通信模式的通用化設計

葉笑冬+陸宇+王子健

摘 要 本文根據分層設計思想，基于RS485總線和Modbus協(xié)議，實現主從通信模式下的通用化設計，同時滿足不同設備和硬件平臺下的可移植性和擴展性的需要。另外，設計中利用偵測幀技術，解決子節(jié)點信息及時上告的問題。

關鍵詞 RS485；Modbus；RTU；OSI模型；主從模式；對等模式

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0058-02

在工業(yè)現場，設備間通信、分布式系統(tǒng)的模塊之間的通信，都離不開主從通信模式或對等通信模式。對等通信模式的通信主體沒有主從之分，每個設備、每個模塊都是主節(jié)點，可以隨時發(fā)起通信，隨時接收信息；主從通信模式，相對而言比較復雜，主節(jié)點是唯一的控制主體，它向每個從節(jié)點發(fā)起通信，而相關子節(jié)點則響應，每個子節(jié)點之間不能直接通信。主節(jié)點可以點對點地和子節(jié)點通信，也可以向所有子節(jié)點發(fā)起廣播。由于RS485總線采用半雙工拓撲結構，使得某一段時間段內，只有某個特定的子節(jié)點和主節(jié)點之間才能而且必須建立一個完整的會話，即主節(jié)點發(fā)起請求，子節(jié)點收到后響應并回復請求。而其它子節(jié)點必須等待。在實際應用中，經常會有以下情況

發(fā)生：

1）由于不同子節(jié)點的響應，不同的命令的響應，需要延時的時間不同，則對于應用而言就顯得比較復雜。

2）由于主節(jié)點發(fā)送的命令可能某些原因未被子節(jié)點響應，從應用角度而言，可能需要進行重發(fā)，如果針對每一個命令做相應工作其擴展性存在很大的問題。

3）子節(jié)點由于產生事件或告警，希望盡快告知主節(jié)點，子節(jié)點因無法直接發(fā)起請求，使得這種應用的及時性存在問題。

4）由于項目的需要，MCU芯片可能有所不同，有可能是單片機、DSP、ARM等其中的任何一種或幾種，也可能是同種類型的不同配置，但是通信都同樣遇到以上問題。如果針對每一款MCU都重寫通信部分的功能，開發(fā)周期、測試周期都會涉及這部分內容，浪費有限的人力資源。

這些共性的問題如果能在通用的模塊內解決，一方面企業(yè)的共性模塊可以增強可復用性，另外一方面，開發(fā)工程師就可以把精力花在相關的應用領域，降低開發(fā)復雜度。

工業(yè)現場使用Modus現場總線協(xié)議非常普遍，利用Modbus協(xié)議作為載體作為通用模塊的一部分具有典型性。對于RS485總線的應用場合，不管是設備（或裝置）之間的通信還是設備（或裝置）內的主節(jié)點和子節(jié)點之間的通信，通用模塊都適合。

1 協(xié)議簡介

1）RS485總線。

RS485總線由于其成本低廉、布線簡單，抗干擾性強，通信距離長，穩(wěn)定可靠等特點，從而廣泛的應用于工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領域中。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有唯一節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。應用RS-485可以聯(lián)網構成分布式系統(tǒng)，在不加中繼器的情況下，允許最多32個子節(jié)點。主節(jié)點同時只能和一個子節(jié)點進行通信，子節(jié)點之間不能直接通信。另外，主節(jié)點可以通過廣播方式和所有子節(jié)點進行通信。其拓撲結構如圖1所示。

2）Modbus 串行鏈路協(xié)議。

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協(xié)議數據單元（PDU），位于在OSI模型[1][2]中的第7層。是一個應用層報文傳輸協(xié)議。其數據包結構如圖2所示。

而Modbus串行鏈路協(xié)議位于OSI 模型的第二層，是一個主/從協(xié)議。如圖3所示。在一個串行總線上，只有一個主節(jié)點，有一個或多個子節(jié)點（最大編號為247）。Modbus通信總是由主節(jié)點發(fā)起。子節(jié)點從來不會主動發(fā)送數據。子節(jié)點之間也不會直接通信。正因為這種特點，主從節(jié)點采用的是乒乓機制，即同一時刻有且只有一個子節(jié)點和主節(jié)點進行交互，完成之后，主節(jié)點才能訪問下一個子節(jié)點。

Modbus串行鏈路協(xié)議是Modbus在串行總線上的實現協(xié)議，特別適合于RS485總線結構。另外，如果把RS232結構可以看成是一個只有一個子節(jié)點的主/從結構。則Modbus串行鏈路協(xié)議也同樣適合。

Modbus串行鏈路協(xié)議支持單播模式和廣播模式。如圖2所示，地址域的地址值用于區(qū)分單播模式和廣播模式，其中1～247是單播模式地址，0是廣播模式地址。在單播模式下，主節(jié)點指定某個子節(jié)點的地址進行訪問，被指定的子節(jié)點接到并處理完請求后，向主節(jié)點返回一個 ‘應答，而其它子節(jié)點，雖然也收到數據，但是由于地址域信息和自身不符，就會拋棄該報文。在廣播模式下，主節(jié)點向所有的子節(jié)點發(fā)送請求，即報文中地址域的值為0。各子節(jié)點接收到報文后判斷是廣播模式，因此，僅僅處理請求，但不會應答。所以廣播請求一般用于寫命令。

2 主從模式下的及時響應

由于RS485的總線方式決定了通信方式必然是主從通信機制，主從方式的最大缺陷在于子節(jié)點無法主動發(fā)起通信，而主節(jié)點發(fā)起通信也是定時或按需的。如果子節(jié)點有告警需要盡快得到主節(jié)點響應，對于主節(jié)點而言，這將是一個很大的挑戰(zhàn)。如果主節(jié)點縮短輪詢周期，則會無形中加大主節(jié)點和子節(jié)點的負荷，也會浪費RS485的通信帶寬。如果輪詢周期太長，子節(jié)點的告警可能就得不到及時的響應。事實上，我們通過對需求的分析歸納可以得出結論，即一個應用系統(tǒng)的通信命令無非是由兩種類型的命令組成：交互式命令和主動上告命令。在這里交互式命令就是主節(jié)點和子節(jié)點進行通信；主動上告命令就是子節(jié)點有告警需要通知主節(jié)點。如何滿足子節(jié)點及時上告主節(jié)點的需要，是通用性設計的一個重要內容。

3 通用化設計

1）數據鏈路層的設計。

在通用化設計中，根據OSI分層設計思想，數據鏈路層實現Modbus串行鏈路協(xié)議[3]，包括兩部分的內容：

①滿足一個完整幀的處理的要求。

一個完整幀的處理包括發(fā)送命令方如何組成一個完整的RTU模式下的Modbus幀；接收命令方如何接收一個完整的RTU模式下的Modbus幀。如果接收錯誤，進行相應的處理。由于這部分功能牽涉到具體硬件，因此被封裝在相應的文件中，對應于不同的MCU，修改相關硬件實現即可。endprint

②滿足上層對一個完整的事務處理的需求。

上層對一個完整的事務處理，包括對接收的命令進行解析和回復；支持單播模式和廣播模式；判斷命令請求超時；超時啟動重發(fā)機制等。另外，考慮到以后多子板熱插拔的應用需要，該層也預留了相應的接口，如定義探測幀獲取子板是否存在的信息等。這些內容已經和具體硬件沒有關系，因此這部分可以很方便地移植。另外，對于具體應用而言，可能不同命令的需要子節(jié)點響應的時間也不盡相同，而且需要重發(fā)的要求也可能有所不同，但是通信的狀態(tài)遷移圖都是一樣的，如圖4所示，因此，通用模塊中利用了一個數據結構，如圖5所示，采用同一種方法解決不同命令的發(fā)送和等待回復以及重發(fā)的過程。

實際應用中，應用開發(fā)工程師只需按照這一結構，建立相應的一張命令表，并通過配置的方法讓模塊知道如何訪問該表即可。至于，如何根據該表中的命令ID，獲得該命令是否單播命令，timeout時間，允許重發(fā)次數等參數，按圖4的機制運行等工作，這些都是模塊完成的任務。

2）網絡層的設計。

Modbus協(xié)議規(guī)范中并沒有網絡層的定義，但實際應用中針對每個端口都會存在主模式或者從模式，因此，模塊增加了網絡層的功能。網絡層實現對通信端口的配置，包括是該節(jié)點的某一個端口是處于主模式還是從模式。如果是主模式，則可以充當主節(jié)點的作用，發(fā)起和子節(jié)點的通信；如果是從模式，則只能被動的接收來自主節(jié)點的請求，并進行回復。該層沒有涉及到硬件，也可以很方便地移植。由于目前的需求不要求通信端口之間進行轉發(fā)，因此，該層的機制比較簡單。以后需要增加功能，可以修改相應的文件。

此外，模塊內在主模式下，增加了一個特殊的偵測幀，定時地訪問各子節(jié)點，用最小的通信帶寬和工作負荷換來子節(jié)點及時的響應，滿足了子節(jié)點主動上告，即子節(jié)點響應及時性的需求。在模塊設計中，增加了偵測幀和普通幀的協(xié)同工作的機制。他們輪流工作，當允許進行偵測時，這一階段主節(jié)點依此發(fā)送簡短的偵測幀給每個子節(jié)點。子節(jié)點也會回送簡短的信息，可以用位定義方式定義各種上告類型，比如運行是否正常、是否有告警等等。對于應用層，主節(jié)點可以根據這些信息，決定下一步將發(fā)起什么命令。比如發(fā)現告警，則下一個命令就是獲取告警的具體信息。從而實現及時響應的需求。

4 實際應用

該通用化設計模塊已被應用在儲能裝置的信息采集子系統(tǒng)，主板MCU采用TMS320F28335，子板的MCU采用MSP430，子板共32塊。系統(tǒng)的波特率設為115200bps，數據格式8/N/2，每個字節(jié)的傳輸時間約為87us。對于偵測幀，幀的長度為8個字節(jié)，則0.087*8+1.75=2.446ms，考慮到命令的一個來回時間，則大致需要5ms的時間。如果按32個子節(jié)點的系統(tǒng)計算，則一次一個完整的系統(tǒng)訪問所需時間為5*32=160ms。考慮到一定的通信占空比，則一個合理的偵測幀系統(tǒng)訪問周期為1秒時間。除此之外，如果保證通信帶寬負荷為80%，如果按每秒訪問各子板一次的周期測算，則平均每個子節(jié)點傳輸數據的最大數據量不超過23個字節(jié)為宜。如果采集周期適當放寬，則每次采集數據量可以相應增加。

5 結論

本通用化模塊可以應用于各種嵌入式設備中，由于在設計之初已經充分考慮到移植性和擴展性，采用分層設計方法，對于不同的MCU，只要修改和硬件相關的文件即可，而且主要牽涉到串口部分和定時器部分，因此移植到新的硬件平臺也很方便。另外，雖然模塊目前的應用主要是非操作系統(tǒng)下的單進程運行環(huán)境中，但是由于層內利用狀態(tài)機的運行機制，層之間利用信號方式進行耦合，這樣已經和是否單進程無關。因此理論上模塊同樣可以用在操作系統(tǒng)多進程的運行環(huán)境中。目前單進程環(huán)境的移植已經在MSP430平臺上，TMS320F28335平臺得到驗證，對于ARM等芯片也同樣可以快捷地應用該模塊實現系統(tǒng)的通信。另外，正如前文所述，如果需要進行功能擴展，可以在相應功能層，即相應的文件中修改。

參考文獻

[1]胡道元.計算機局域網[M].清華大學出版社，1996：10-12.

[2]李遜林，袁宗福.計算機網絡[M].電子科技大學出版社，1998：33-40.

[3]王苒，湯冬誼.基于RS485主從通信協(xié)議的實現[J].現代電子技術，2003（24）：67-71.endprint

②滿足上層對一個完整的事務處理的需求。

上層對一個完整的事務處理，包括對接收的命令進行解析和回復；支持單播模式和廣播模式；判斷命令請求超時；超時啟動重發(fā)機制等。另外，考慮到以后多子板熱插拔的應用需要，該層也預留了相應的接口，如定義探測幀獲取子板是否存在的信息等。這些內容已經和具體硬件沒有關系，因此這部分可以很方便地移植。另外，對于具體應用而言，可能不同命令的需要子節(jié)點響應的時間也不盡相同，而且需要重發(fā)的要求也可能有所不同，但是通信的狀態(tài)遷移圖都是一樣的，如圖4所示，因此，通用模塊中利用了一個數據結構，如圖5所示，采用同一種方法解決不同命令的發(fā)送和等待回復以及重發(fā)的過程。

實際應用中，應用開發(fā)工程師只需按照這一結構，建立相應的一張命令表，并通過配置的方法讓模塊知道如何訪問該表即可。至于，如何根據該表中的命令ID，獲得該命令是否單播命令，timeout時間，允許重發(fā)次數等參數，按圖4的機制運行等工作，這些都是模塊完成的任務。

2）網絡層的設計。

Modbus協(xié)議規(guī)范中并沒有網絡層的定義，但實際應用中針對每個端口都會存在主模式或者從模式，因此，模塊增加了網絡層的功能。網絡層實現對通信端口的配置，包括是該節(jié)點的某一個端口是處于主模式還是從模式。如果是主模式，則可以充當主節(jié)點的作用，發(fā)起和子節(jié)點的通信；如果是從模式，則只能被動的接收來自主節(jié)點的請求，并進行回復。該層沒有涉及到硬件，也可以很方便地移植。由于目前的需求不要求通信端口之間進行轉發(fā)，因此，該層的機制比較簡單。以后需要增加功能，可以修改相應的文件。

此外，模塊內在主模式下，增加了一個特殊的偵測幀，定時地訪問各子節(jié)點，用最小的通信帶寬和工作負荷換來子節(jié)點及時的響應，滿足了子節(jié)點主動上告，即子節(jié)點響應及時性的需求。在模塊設計中，增加了偵測幀和普通幀的協(xié)同工作的機制。他們輪流工作，當允許進行偵測時，這一階段主節(jié)點依此發(fā)送簡短的偵測幀給每個子節(jié)點。子節(jié)點也會回送簡短的信息，可以用位定義方式定義各種上告類型，比如運行是否正常、是否有告警等等。對于應用層，主節(jié)點可以根據這些信息，決定下一步將發(fā)起什么命令。比如發(fā)現告警，則下一個命令就是獲取告警的具體信息。從而實現及時響應的需求。

4 實際應用

該通用化設計模塊已被應用在儲能裝置的信息采集子系統(tǒng)，主板MCU采用TMS320F28335，子板的MCU采用MSP430，子板共32塊。系統(tǒng)的波特率設為115200bps，數據格式8/N/2，每個字節(jié)的傳輸時間約為87us。對于偵測幀，幀的長度為8個字節(jié)，則0.087*8+1.75=2.446ms，考慮到命令的一個來回時間，則大致需要5ms的時間。如果按32個子節(jié)點的系統(tǒng)計算，則一次一個完整的系統(tǒng)訪問所需時間為5*32=160ms?？紤]到一定的通信占空比，則一個合理的偵測幀系統(tǒng)訪問周期為1秒時間。除此之外，如果保證通信帶寬負荷為80%，如果按每秒訪問各子板一次的周期測算，則平均每個子節(jié)點傳輸數據的最大數據量不超過23個字節(jié)為宜。如果采集周期適當放寬，則每次采集數據量可以相應增加。

5 結論

本通用化模塊可以應用于各種嵌入式設備中，由于在設計之初已經充分考慮到移植性和擴展性，采用分層設計方法，對于不同的MCU，只要修改和硬件相關的文件即可，而且主要牽涉到串口部分和定時器部分，因此移植到新的硬件平臺也很方便。另外，雖然模塊目前的應用主要是非操作系統(tǒng)下的單進程運行環(huán)境中，但是由于層內利用狀態(tài)機的運行機制，層之間利用信號方式進行耦合，這樣已經和是否單進程無關。因此理論上模塊同樣可以用在操作系統(tǒng)多進程的運行環(huán)境中。目前單進程環(huán)境的移植已經在MSP430平臺上，TMS320F28335平臺得到驗證，對于ARM等芯片也同樣可以快捷地應用該模塊實現系統(tǒng)的通信。另外，正如前文所述，如果需要進行功能擴展，可以在相應功能層，即相應的文件中修改。

參考文獻

[1]胡道元.計算機局域網[M].清華大學出版社，1996：10-12.

[2]李遜林，袁宗福.計算機網絡[M].電子科技大學出版社，1998：33-40.

[3]王苒，湯冬誼.基于RS485主從通信協(xié)議的實現[J].現代電子技術，2003（24）：67-71.endprint

②滿足上層對一個完整的事務處理的需求。

上層對一個完整的事務處理，包括對接收的命令進行解析和回復；支持單播模式和廣播模式；判斷命令請求超時；超時啟動重發(fā)機制等。另外，考慮到以后多子板熱插拔的應用需要，該層也預留了相應的接口，如定義探測幀獲取子板是否存在的信息等。這些內容已經和具體硬件沒有關系，因此這部分可以很方便地移植。另外，對于具體應用而言，可能不同命令的需要子節(jié)點響應的時間也不盡相同，而且需要重發(fā)的要求也可能有所不同，但是通信的狀態(tài)遷移圖都是一樣的，如圖4所示，因此，通用模塊中利用了一個數據結構，如圖5所示，采用同一種方法解決不同命令的發(fā)送和等待回復以及重發(fā)的過程。

實際應用中，應用開發(fā)工程師只需按照這一結構，建立相應的一張命令表，并通過配置的方法讓模塊知道如何訪問該表即可。至于，如何根據該表中的命令ID，獲得該命令是否單播命令，timeout時間，允許重發(fā)次數等參數，按圖4的機制運行等工作，這些都是模塊完成的任務。

2）網絡層的設計。

Modbus協(xié)議規(guī)范中并沒有網絡層的定義，但實際應用中針對每個端口都會存在主模式或者從模式，因此，模塊增加了網絡層的功能。網絡層實現對通信端口的配置，包括是該節(jié)點的某一個端口是處于主模式還是從模式。如果是主模式，則可以充當主節(jié)點的作用，發(fā)起和子節(jié)點的通信；如果是從模式，則只能被動的接收來自主節(jié)點的請求，并進行回復。該層沒有涉及到硬件，也可以很方便地移植。由于目前的需求不要求通信端口之間進行轉發(fā)，因此，該層的機制比較簡單。以后需要增加功能，可以修改相應的文件。

此外，模塊內在主模式下，增加了一個特殊的偵測幀，定時地訪問各子節(jié)點，用最小的通信帶寬和工作負荷換來子節(jié)點及時的響應，滿足了子節(jié)點主動上告，即子節(jié)點響應及時性的需求。在模塊設計中，增加了偵測幀和普通幀的協(xié)同工作的機制。他們輪流工作，當允許進行偵測時，這一階段主節(jié)點依此發(fā)送簡短的偵測幀給每個子節(jié)點。子節(jié)點也會回送簡短的信息，可以用位定義方式定義各種上告類型，比如運行是否正常、是否有告警等等。對于應用層，主節(jié)點可以根據這些信息，決定下一步將發(fā)起什么命令。比如發(fā)現告警，則下一個命令就是獲取告警的具體信息。從而實現及時響應的需求。

4 實際應用

該通用化設計模塊已被應用在儲能裝置的信息采集子系統(tǒng)，主板MCU采用TMS320F28335，子板的MCU采用MSP430，子板共32塊。系統(tǒng)的波特率設為115200bps，數據格式8/N/2，每個字節(jié)的傳輸時間約為87us。對于偵測幀，幀的長度為8個字節(jié)，則0.087*8+1.75=2.446ms，考慮到命令的一個來回時間，則大致需要5ms的時間。如果按32個子節(jié)點的系統(tǒng)計算，則一次一個完整的系統(tǒng)訪問所需時間為5*32=160ms?？紤]到一定的通信占空比，則一個合理的偵測幀系統(tǒng)訪問周期為1秒時間。除此之外，如果保證通信帶寬負荷為80%，如果按每秒訪問各子板一次的周期測算，則平均每個子節(jié)點傳輸數據的最大數據量不超過23個字節(jié)為宜。如果采集周期適當放寬，則每次采集數據量可以相應增加。

5 結論

本通用化模塊可以應用于各種嵌入式設備中，由于在設計之初已經充分考慮到移植性和擴展性，采用分層設計方法，對于不同的MCU，只要修改和硬件相關的文件即可，而且主要牽涉到串口部分和定時器部分，因此移植到新的硬件平臺也很方便。另外，雖然模塊目前的應用主要是非操作系統(tǒng)下的單進程運行環(huán)境中，但是由于層內利用狀態(tài)機的運行機制，層之間利用信號方式進行耦合，這樣已經和是否單進程無關。因此理論上模塊同樣可以用在操作系統(tǒng)多進程的運行環(huán)境中。目前單進程環(huán)境的移植已經在MSP430平臺上，TMS320F28335平臺得到驗證，對于ARM等芯片也同樣可以快捷地應用該模塊實現系統(tǒng)的通信。另外，正如前文所述，如果需要進行功能擴展，可以在相應功能層，即相應的文件中修改。

參考文獻

[1]胡道元.計算機局域網[M].清華大學出版社，1996：10-12.

[2]李遜林，袁宗福.計算機網絡[M].電子科技大學出版社，1998：33-40.

[3]王苒，湯冬誼.基于RS485主從通信協(xié)議的實現[J].現代電子技術，2003（24）：67-71.endprint