MODBUS协议蓄电池组在线监测.docx

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MODBUS协议蓄电池组在线监测

蓄电池组在线监测装置

MODBUS通信协议

1MODBUS通信协议原理

2物理层接口

蓄电池组在线监测装置，采用RS485线路进行通信。

3Modbus串行数据链路层协议

3.1Modbus主站/从站协议原理

Modbus串行链路协议是一个主-从协议。

在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点（最大编号为247）连接于同一个串行总线。

Modbus通信总是由主节点发起。

子节点在没

有收到来自主节点的请求时，从不会发送数据。

子节点之间从不会互相通信。

主节点在同一时刻只

会发起一个Modbus事务处理。

主节点以两种模式对子节点发出Modbus请求:

→在单播模式，主节点以特定地址访问某个子节点，子节点接到并处理完请求后，子节点向主节

点返回一个报文（一个'应答'）。

在这种模式，一个Modbus事务处理包含2个报文：

一个来自主节点的请求，一个来自子节点的应答。

每个子节点必须有唯一的地址（1到247），这样才能区别于其它节点被独立的寻址。

→在广播模式，主节点向所有的子节点发送请求。

对于主节点广播的请求没有应答返回。

广播请求一般用于写命令。

所有设备必须接受广播模式的写

功能。

地址0是专门用于表示广播数据的。

单播和广播模式的区别在一个多点的结构下（如RS485）更加易于理解。

3.2Modbus地址规则

Modbus寻址空间有256个不同地址。

0

1～47

55～248

广播地址

子节点单独地址

保留

Modbus主节点没有地址，只有子节点必须有一个地址。

该地址必须在Modbus串行总线上唯

一。

图解如下：

3.3串行链路数据帧格式

3.3.1Modbus帧描述

MODBUS协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。

特定总线或网络上

的MODBUS协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。

表3-2数据帧格式表

字段

字节数

描述

设备地址

1

BYTE型数据，对象的地址。

范围1~247。

每组蓄电池分配

一个访问地址，默认情况下组1地址为1，组2地址为组1

地址加1，以此类推。

监测多少组蓄电池，就占用连续的多

少个地址。

组1地址可以前台修改，相应组2地址也会在组

1地址上增1。

功能码

1

BYTE型数据。

见“命令解析”。

正常情况下发送和应答的

功能码一致，异常情况下参见“异常应答机制”。

数据区

N

见“命令解析”。

校验

2

CRC16校验，校验生成函数参考附录七。

帧格式图解

▪在Modbus串行链路，地址域只含有子节点地址。

如前文所述，合法的子节点地址为十进制0–247。

每个子设备被赋予1–247范围中的地址。

主节点通过将子节点的地址放到报文的地址域对子节点寻址。

当子节点返回应答时，它将自己的地

址放到应答报文的地址域以让主节点知道哪个子节点在回答。

▪功能码指明服务器要执行的动作。

功能码后面可跟有表示含有请求和响应参数的数据域。

▪错误检验域是对报文内容执行"冗余校验"的计算结果。

根据不同的传输模式（RTUorASCII）

使用两种不同的计算方法。

4.串行传输模式RTU

它定义了报文域的位内容在线路上串行的传送。

它确定了信息如何打包为报文和解码。

Modbus串行链路上所有设备的传输模式（和串行口参数）必须相同。

4.1RTU传输模式

串行链路上第一个MODBUS执行的长度约束限制了MODBUSPDU大小（最大RS485ADU=256

字节）。

因此，对串行链路通信来说，MODBUSPDU=256-服务器地址（1字节）-CRC（2字节）＝253

字节。

帧描述:

→ModbusRTU帧最大为256字节。

4.2Modbus报文RTU帧

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而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。

在后续的部分，这个时间区

间被称作t3.5。

整个报文帧必须以连续的字符流发送。

如果两个字符之间的空闲间隔大于1.5个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。

串通讯的数据帧格式图解

蓄电池组在线监测装置，采用RS485线路进行通信。

串口通信输出格式为：

1位起始位，8位数据位，1位停止位，奇校验。

默认波特率为2400bps，可调节为1200bps,2400bps,4800bps,9600bps。

编码系统:

8–位二进制

报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符（0–9，A–F）

BitsperByte:

1起始位

8数据位，首先发送最低有效位

1位作为奇偶校验

1停止位

偶校验是要求的，其它模式（奇校验，无校验）也可以使用。

为了保证与其它产品的最大兼

容性，同时支持无校验模式是建议的。

默认校验模式模式必须为偶校验。

注:

使用无校验要求2个停止位。

字符是如何串行传送的:

每个字符或字节均由此顺序发送（从左到右）:

最低有效位（LSB）...最高有效位（MSB）

一。

下行数据结构（主机发送到从机数据协议）

起始码地址码功能码数据区CRC校验停止码

||||||

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1、数据格式：

【起始码：

0xEB0x900xEB0x90】

起始码：

+从机地址码

（1）+【命令码】

（1）＋【起始地址

（2）＋寄存器数

（2）】＋CRC16校验

（2）+停止码

（2）　　　　（括号内为字节数）

　CRC16高字节在前低字节在后

2、从机地址码为０表示广播方式，所有从机都能收到并处理，否则地址码与从机地址相同时从机才响应；因此从机地址范围:

1~247

三．上行数据结构（从机发送到主机数据协议）

起始码地址码功能码数据区CRC校验停止码

||||||

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2、数据格式：

【起始码：

0xEB0x900xEB0x90】

起始码：

+从机地址码

（1）+【命令码】

（1）＋【寄存器数

（2）+N个数据】＋CRC16校验

（2）+停止码

（2）　　　　

（括号内为字节数）

　CRC16高字节在前低字节在后

4.4帧检验域:

循环冗余校验（CRC）

在RTU模式包含一个对全部报文内容执行的，基于循环冗余校验（CRC-CyclicalRedundancy

Checking）算法的错误检验域。

CRC域检验整个报文的内容。

不管报文有无奇偶校验，均执行此检

验。

CRC包含由两个8位字节组成的一个16位值。

CRC域作为报文的最后的域附加在报文之后。

计算后，首先附加低字节，然后是高字节。

CRC

高字节为报文发送的最后一个子节。

附加在报文后面的CRC的值由发送设备计算。

接收设备在接收报文时重新计算CRC的值，

并将计算结果于实际接收到的CRC值相比较。

如果两个值不相等，则为错误。

CRC的计算,开始对一个16位寄存器预装全1。

然后将报文中的连续的8位子节对其进行后

续的计算。

只有字符中的8个数据位参与生成CRC的运算，起始位，停止位和校验位不参与CRC

计算。

CRC的生成过程中，每个8–位字符与寄存器中的值异或。

然后结果向最低有效位（LSB）方向

移动（Shift）1位，而最高有效位（MSB）位置充零。

然后提取并检查LSB：

如果LSB为1，则寄存

器中的值与一个固定的预置值异或；如果LSB为0，则不进行异或操作。

这个过程将重复直到执行完8次移位。

完成最后一次（第8次）移位及相关操作后，下一个8

位字节与寄存器的当前值异或，然后又同上面描述过的一样重复8次。

当所有报文中子节都运算之

后得到的寄存器忠的最终值，就是CRC。

5数据存储和传输顺序

5.116bit数据类型字节存储及传输顺序

MODBUS使用一个‘big-Endian’，对于16bit数据类型，先传输高字节，再传输低字节。

例如3A56H，先传送3AH，再传送56H。

输入寄存器和保持寄存器都是16bit寻址的寄存器。

可以认为单个寄存器的位存储顺序也是高字节在前，低子字节在后。

5.232bit数据类型字存储及传输顺序

MODBUS使用一个‘big-Endian’，对于32bit浮点型、32bit整型等32bit数据类型，先传输高16bit字，再传输低16bit字。

比如8DF377A2H数据，先传输8DF3H，再传输77A2H。

在输入寄存器和保持寄存器中，32bit数据占用连续的两个寄存器地址。

相应低地址存储高16位，高地址存放低16位。

8DF377A2H数值如果用地址12、13连个寄存器来存放，则地址12寄存器存放8DF3H，地址13寄存器存放77A2H。

5.3字符串数据类型存储及传输顺序

字符串数据传输时先传输较靠前的字符。

字符串数据类型在输入寄存器和保持寄存器存储时，顺序上较靠前的字符存储在较低地址的寄存器中。

在一个寄存器中，较靠前的8bit字符存储在高字节上，较靠后的8bit字符存储在低字节上。

5.4.布尔型数据类型存储及传输顺序

布尔型数据主要分布在离散输入寄存器中。

离散输入寄存器实际以字节为单位存储和传输。

较低地址的寄存器存储在一个字节的较低位上。

传输时，先传输较低地址的寄存器值。

存储较低地址的8个寄存器的字节先于

存储较高地址的8个寄存器的字节传输。

例如：

连续的16个离散输入寄存器的值从低地址到高地址依次为：

1，1，0，1，1，1，

0，0，1，1，0，1，1，1，0，1。

传输时分两个字节传输，先传输二进制1，1，0，1，1，

1，0，0八个位，实际存储的值为二进制00111011（注意低位先传），即3BH。

再传送1，

1，0，1，1，1，0，1八个位，实际存储的值为B，即BBH。

6.MODBUS应用层协议：

命令解析和“数据区”定义

命令解析

本章中所罗列的发送接收数据内容仅指“命令结构”一节中所提到的“数据区”。

6.1.标准MODBUS命令

读离散输入寄存器02H

在一个远程设备中，使用该功能码读取离散量输入的1至2000连续状态。

请求PDU详细说明

了起始地址，即指定的第一个输入地址和输入编号。

从零开始寻址输入。

因此寻址输入1-16为0-15。

根据数据域的每个比特将响应报文中的离散量输入分成为一个输入。

指示状态为1=ON和0=

OFF。

第一个数据字节的LSB（最低有效位）包括在询问中寻址的输入。

其它输入依次类推，一直

到这个字节的高位端为止，并在后续字节中从低位到高位的顺序。

如果返回的输入数量不是八的倍数，将用零填充最后数据字节中的剩余比特（一直到字节的高位端）。

字节数量域说明了数据的完整字节数。

响应PDU

功能码

1个字节

0x02

字节数

字节数1个字节

N*

输入状态

N*×1个字节

*N＝输出数量/8，如果余数不等于0，那么N=N+1

将离散量输入状态204-197表示为十六进制字节值AC，或二进制10101100。

输入204是这个

字节的MSB，输入197是这个字节的LSB。

将离散量输入状态218-213表示为十六进制字节值35，或二进制00110101。

输入218位于左侧

第3比特，输入213是LSB。

注：

用零填充2个剩余比特（一直到高位端）。

6.1.2读输入寄存器04H

在一个远程设备中，使用该功能码读取1至大约125的连续输入寄存器。

请求PDU说明了起始

地址和寄存器数量。

从零开始寻址寄存器。

因此，寻址输入寄存器1-16为0-15。

将响应报文中的寄存器数据分成每个寄存器为两字节，在每个字节中直接地调整二进制内容。

对于每个寄存器，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。

将输入寄存器9的内容表示为两个十六进制字节值000A，或十进制10。

6.1.3读保持寄存器03H

在一个远程设备中，使用该功能码读取保持寄存器连续块的内容。

请求PDU说明了起始寄存器

地址和寄存器数量。

从零开始寻址寄存器。

因此，寻址寄存器1-16为0-15。

将响应报文中的寄存器数据分成每个寄存器有两字节，在每个字节中直接地调整二进制内容。

对于每个寄存器，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。

将寄存器108的内容表示为两个十六进制字节值022B，或十进制555。

将寄存器109-110的内

容分别表示为十六进制0000和0064，或十进制0和100。

报告从站ID11H

表6-1-4-1报告从站ID命令发送数据区

说明：

为了及时监视到设备重启，要求每次轮训数据时都必须进行一次“报

告从站ID”。

6.1.5MODBUS异常响应

当客户机设备向服务器设备发送请求时，客户机希望一个正常响应。

从主站询问中出现下列四种可能事件之一：

●如果服务器设备接收到无通信错误的请求，并且可以正常地处理询问，那么服务器设备将返回一个正常响应。

●如果由于通信错误，服务器没有接收到请求，那么不能返回响应。

客户机程序将最终处理请求的超时状态。

●如果服务器接收到请求，但是检测到一个通信错误（奇偶校验、LRC、CRC、...），那么不能返回响应。

客户机程序将最终处理请求的超时状态。

●如果服务器接收到无通信错误的请求，但不能处理这个请求（例如，如果请求读个不存在的输出或寄存器），服务器将返回一个异常响应，通知用户错误的本质特性。

异常响应报文有两个与正常响应不同的域：

功能码域：

在正常响应中，服务器利用响应功能码域来应答最初请求的功能码。

所有功能码的最高有效位（MSB）都为0（它们的值都低于十六进制80）。

在异常响应中，服务器设置功能码的MSB为1。

这使得异常响应中的功能码值比正常响应中的功能码值高十六进制80。

通过设置功能码的MSB，客户机的应用程序能够识别异常响应，并且能够检测异常码的数据域。

数据域：

在正常响应中，服务器可以返回数据域中数据或统计表（请求中要求的任何报文）。

在异常响应中，服务器返回数据域中的异常码。

这就定义了产生异常的服务器状态。

客户机请求和服务器异常响应的实例：

在这个实例中，客户机对服务器设备寻址请求。

功能码（01）用于读输出状态操作。

它将请求地址

1245（十六进制04A1）的输出状态。

值得注意的是，象输出域（0001）号码说明的那样，只读出一个输

出。

如果在服务器设备中不存在输出地址，那么服务器将返回异常码（02）的异常响应。

这就说明从站

的非法数据地址。

从下页开始异常码的列表。

异常判断流程参考图

7MODBUS对寄存器表访问模式

基本表格

对象类型

访问类型

内容

离散量输入寄存器表

单个比特

只读

/O系统提供这种类型数据

输入寄存器表

16-比特字

只读

I/O系统提供这种类型数据

保持寄存器表

16-比特字

读写

通过应用程序改变这种类型数据

8程序设计结构

当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称

为异常响应）。

对于一个正常响应来说，服务器仅对原始功能码响应。

对于异常响应，服务器返回一个与原始功能码等同的码，设置该原始功能码的最高有效位为逻

辑1。

MODBUS协议定义了三种PDU。

它们是：

●MODBUS请求PDU，mb_req_pdu

●MODBUS响应PDU，mb_rsp_pdu

●MODBUS异常响应PDU，mb_excep_rsp_pdu

定义mb_req_pdu为：

mb_req_pdu={function_code,request_data}，其中

function_code-[1个字节]MODBUS功能码

request_data-[n个字节]，这个域与功能码有关，并且通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移

量、子功能码等信息。

定义mb_rsp_pdu为：

mb_rsp_pdu={function_code,response_data}，其中

function_code-[1个字节]MODBUS功能码

response_data-[n个字节]，这个域与功能码有关，并且通常包括诸如可变参考、变量、数据偏

移量、子功能码等信息。

定义mb_excep_rsp_pdu为：

mb_excep_rsp_pdu={function_code,request_data}，其中

function_code-[1个字节]MODBUS功能码+0x80

exception_code-[1个字节]，在下表中定义了MODBUS异常码。

9.数据类型说明：

BYTEunsignedchar

INTunsignedshort

FLOATfloat

ULONGunsignedlong

9.1附录一离散输入寄存器表功能码：

0x02

字段

起始地址

十进制

起始地址

十六进制

说明

——（读写设置告警时标）——

年

0

0000

1

BYTE

0000~9999

月

1

0001

1

BYTE

1~12

日

2

0002

1

BYTE

1~31

时

3

0003

1

BYTE

0~23

分

4

0004

1

BYTE

0~59

秒

5

0005

1

BYTE

0~59

1号板电压过高

6

0006

BYTE

0--无告警，1--告警

1号板电压过低

7

0007

BYTE

0--无告警，1--告警

1号板大板没放出电流

8

0008

BYTE

0--无告警，1--告警

1号板内阻电压异常

9

0009

BYTE

0--无告警，1--告警

1号板均充结束

10

000A

BYTE

0---无提示；1---核容放电结束提示。

在核容放电结束后

1号板核容放电结束提示

11

000B

BYTE

0---无提示；1---核容放电结束提示。

在核容放电结束后，该提示信号维持1分钟，然后自动取消。

1号温度过高

12

000C

BYTE

0--无告警，1--告警

1号板通讯故障

13

000D

BYTE

0--无告警，1--告警

2号板电压过高

14

000E

BYTE

0--无告警，1--告警

2号板电压过低

15

000F

BYTE

0--无告警，1--告警

21号板大板没放出电流

16

0010

BYTE

0--无告警，1--告警

2号板内阻电压异常

17

0011

BYTE

0--无告警，1--告警

2号板均充结束

18

0012

BYTE

0---无提示；1---放电结束提示。

2号板核容放电结束提示

19

0013

BYTE

0---无提示；1---核容放电结束提示。

2号板通讯故障

20

0014

BYTE

0--无告警，1--告警

2号温度过高

21

0015

BYTE

0--无告警，1--告警

开关量1

22

0016

BYTE

0—断，1—通

开关量2

23

0017

BYTE

0—断，1—通

开关量3

24

0018

BYTE

0—断，1—通

开关量4

25

0019

BYTE

0—断，1—通

保留

附录二保持寄存器表（读写）功能码：

0x03

字段

起始地址

十进制

起始

地址

十六

进制

字节数

（Byte）

数据类型

范围

单位

说明

——（读写设置巡检时标）——

本次测量设备ID

0

0000

2

INT

电池类型：

容量参数

1

0002

2

INT

电池类型：

电压参数

2

0004

1

BYTE

设备最大板数

3

0005

1

BYTE

0～5

1号板

测量电池数

4

0006

1

BYTE

2号板

测量电池数

5

0007

1

BYTE

电池组上限电压

6

0098

4

float

0~999

V

电池组下限电压

7

009C

4

float

0~999

V

——（读写设置巡检间隔时间）——

秒

20

0014

4

UNLLONG

——（读写快速巡检设置时间）——

秒

24

0018

4

UNLONG

——（读写设置内阻定检时标）——

时

28

001C

2

INT

——（读写设置连接内阻定检时标）——

时

30

001E

2

INT

保留

电池报警设置

单节电池上限电压

50

0032

4

float

0~999

V

单节电池下限电压

54

0036

4

float

0~999

V

电池组上限电压

58

003A

4

float

0~999

V

电池组下限电压

62

003E

4

float

0~999

V

保留

附录三输入寄存器表（只读）功能码：

0x04

字段

起始地址

十进制

起始

地址

十六

进制

字节数

（Byte）

数据类型

范围

单位

说明

——（巡检最新时间1）——

年

0

0000

1

BYTE

0000~9999

月

1

0001

1

BYTE

1~12

日

2

0002

1

BYTE

1~31

时

3

0003

1

BYTE

0~23

分

4

0004

1

BYTE

0~59

秒

5

0005

1

BYTE

0~59

-----（巡检获取测量值1）---

1号板总电压

7

000E

4

F