Modbus: различия между версиями

<translate>

Modbus - это протокол прикладного (седьмого) уровня модели [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C_OSI OSI], он служит для обмена данными, чаще всего между устройствами автоматизации и реализован в виде "протокола ответов на запросы (request-reply protocol)".  

В устройствах Wirenboard данные Modbus передаются по последовательным линиям связи RS-485. В последовательных линиях связи протокол RS-485 полудуплексный и работает по принципу «клиент-сервер». Каждое устройство в сети (кроме ведущего см. далее) имеет адрес от 1 до 247, адрес 0 используется для широковещательной передачи данных всем устройствам, а адреса 248–255 считаются зарезервированными согласно спецификации Modbus, их использование не рекомендуется.

Существует две спецификации протокола: Modbus RTU и Modbus ASCII. В Modbus RTU передается 11-битный символ, состоящий из 1 стартового бита, 8 бит данных (начиная с младшего бита), бит четности (необязателен) и 2 стоповых бита, если бит четности не передается, или 1 стоповый бит, если бит четности не передается. Такой символ позволяет передать 1 байт данных. В устройствах Wiren Board бит контроля четности не передается и используется 2 стоповых бита. В Modbus ASCII каждый байт передается двумя символами, представляющими ASCII-коды младшей и старшей четырехбитной группы байта ([http://www.simplymodbus.ca/ASCII.htm пример]). Modbus RTU позволяет передавать больше информации при той же скорости последовательной линии и в устройствах Wiren Board используется именно он. Все дальнейшее описание относится к Modbus RTU.

Ведущее устройство ("мастер", или "клиент") периодически опрашивает "ведомое", или "сервер". Ведущее устройство не имеет адреса, передача сообщений от устройства-сервера ведущему без запроса ведущего в протоколе не предусмотрена.

[[Special:MyLanguage/Файл:Modbus_Datagram.png|900px|thumb|left|Датаграмма Modbus в общем виде]]

Пакет данных Modbus выглядит, как это показано на рисунке. '''PDU''' (Protocol Data Unit) — общая часть пакета MODBUS, включающая код функции и данные пакета. '''ADU''' (Application Data Unit) — полный пакет MODBUS. Включает в себя специфичную для физического уровня часть пакета и PDU. Для последовательных линий в заголовке ADU передается адрес устройства, а в конце — контрольная сумма CRC16. Максимальный размер ADU в последовательных коммуникационных линиях составляет '''253 байта''' (из максимальных, разрешенных спецификацией 256 байт вычитается 1 байт адреса и два байта контрольной суммы). Для справки — в Modbus TCP максимальная длина пакета составляет 260 байт.

Функция кодируется одним байтом и определяет, какое действие должно выполнить устройство-сервер. Значение кодов функций лежат в диапазоне от 1 до 255, причем коды от 128 до 255 зарезервированы для сообщений об ошибках со стороны устройства-сервера. Код 0 не используется. Размер блока данных может варьироваться от нуля до максимально допустимого. Если обработка запроса прошла без ошибок, то устройство-сервер возвращает пакет ADU, содержащий запрошенные данные.

[[Special:MyLanguage/Файл:Modbus_transaction_OK.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция, прошедшая без ошибок]]

----

При возникновении ошибки устройством возвращается код ошибки. В случае обычной транзакции код функции в ответе возвращается без изменений; в случае ошибки старший бит кода функции устанавливается в единицу (то есть ''код функции'' + 0x80)

[[Special:MyLanguage/Файл:Modbus_transaction_ERR.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция с ошибками]]

----

Стоит определить таймаут ожидания ответа от ведомого устройства — бессмысленно долго ждать ответ, который, возможно, из-за какой-то ошибки никогда и не придет.

В Modbus принято кодировать адреса и данные в формате big-endian, то есть в формате, когда байты следуют, начиная со старшего: например, при передаче шестнадцатеричного числа 0x1234 сначала устройством будет принят байт 0x12, а затем — 0x34. Для передачи данных другого типа, например, чисел с плавающей запятой (float), текстовых строк, даты и времени суток и т.п. производитель может выбрать свой собственный способ кодирования — для расшифровки получаемых данных важно ознакомится со спецификацией производителя устройства.

Обмен данными с Modbus-устройствами происходит через регистры. В протоколе Modbus определяется четыре типа регистров, показанных в таблице:

{|class="wikitable" align="center"

|}

'''Регистры флагов''' (Coils) хранят однобитные значения - то есть могут находится в состоянии 0 или 1. Такие регистры могут обозначать текущее состояние выхода (включено реле). Название "coil" буквально и означает обмотку-актюатор электромеханического реле. Регистры флагов допускают как чтение, так и запись.

'''Дискретные входы''' (Discrete Inputs) также являются однобитными регистрами, описывающими состояние входа устройства (например подано напряжение — 1). Эти регистры поддерживают только чтение.

'''Регистры хранения''' (Holding Registers) и '''регистры ввода''' (Input Registers) представлены двухбайтовым словом и могут хранить значения от 0 до 65535 (0x0000 — 0xFFFFF).

Регистры ввода допускают только чтение (например, текущее значение температуры). Регистры хранения поддерживают как чтение, так и запись (для хранения настроек). В настоящее время во многих устройствах, в частности в устройствах Wiren Board, эти регистры не разделяются. Команды на чтение регистра хранения N и регистра ввода N обратятся к одному и тому же значению в адресном пространстве устройства.

В стандарте Modbus для каждого из четырех типов регистров используются разные таблицы с номерами 0,1,3,4. Таким образом, регистр определенного типа с определенным номером (иначе его называют физическим адресом) имеет свой адрес в соответствующей таблице.  

{|class="wikitable" align="center"

! Таблица || Номер таблицы || Начальный логический адрес || Номер регистра (физический адрес) || Диапазон логических адресов

|}

Это вносит некоторую путаницу в понимание, по какому же адресу обратиться к регистру с нужным номером. Более того, понятия "адрес" и "регистр" могут применяться производителем произвольно. Чаще всего указываются номера регистров, как, например для устройств Wiren Board.В некоторых устройствах применяются более короткие логические адреса (.0001 — .9999), и для адреса используется 5, а не 6 цифр.

Иногда в описаниях устройства указываются только логические адреса. Например, coil-регистр 0 имеет адрес 000001, регистр ввода 4 — 400005 и т.д.

В готовых шаблонах устройств контроллера Wiren Board 5 есть шаблон для однофазного счетчика электроэнергии SDM220 (/usr/share/wb-mqtt-serial/templates/config-sdm220.json). В документации от производителя "Eastron SDM

220 Modbus Smart Meter Modbus Protocol Implementation V1.0" перечислены регистры и соответствующие им измеряемые параметры, например:

{|class="wikitable" align="center"

! Address (Register)|| Description || Units || Modbus Protocol Start Address Hex (Hi Byte  Lo Byte)

| ... || ... || ... ...

|}

Производитель в таблице приводит и логические, и физические адреса регистров, что позволяет нам с легкостью создать шаблон устройства и проиллюстрировать связь между логическими и физическими адресами Modbus-регистров.  

[[Special:MyLanguage/Файл:SDM220_Template.png|700px|thumb|center|Фрагмент шаблона счетчика SDM220]]

В следующей таблице приведены наиболее распространенные коды функций Modbus:

{|class="wikitable" align="center"

!Код функции || HEX || Название || Действие  

|}

Команды условно можно разделить по типам: чтение значений — запись значений; операция с одним значением — операция с несколькими значениями.

Рассмотрим подробнее, как происходит обмен данными между устройством-клиентом, отправляющим запрос, и устройством-сервером, отвечающим ему.

На следующем рисунке показан обмен данными контроллера с устройством с адресом 0x01. Мы хотим прочесть 8 coil-регистров, начиная с первого.

[[Special:MyLanguage/Файл:Read_8_Coils_2.png|600px|thumb|center|Обмен данными в Modbus]]

В качестве данных мы получили шестнадцатеричное число 0x2D, то есть состояние восьми coil-регистров в двоичном виде такое: 0b10110100.

----

В следующей таблице приведены структуры данных запросов и ответов для основных функций Modbus.

{|class="wikitable" align="center"

!Код функции || Запрос || Ответ   

В случае, если запрос не может по той или иной причине быть обработан устройством-сервером, то в ответ он отправляет сообщение об ошибке. Соообщение об ошибке содержит адрес Modbus-устройства, код функции, при выполнении которой произошла ошибка, увеличенный на 0x80, код ошибки и контрольную сумму:

[[Special:MyLanguage/Файл:Read_8_Coils_ERR.png|600px|thumb|center|Транзакция завершилась с ошибкой]]

В этом случае мы попытались обратиться к несуществующему адресу регистра 0xFFFF и попытались прочесть 8 регистров флагов. В результате мы получили код ошибки 0x03 — "В поле данных передано неверное значение".

Наиболее распространенные коды ошибок Modbus приведены в следующей таблице:

{|class="wikitable" align="center"

!Код ошибки || Название ошибки|| Что означает

Для протокола Modbus RTU 16-битная контрольная сумма (CRC) вычисляется по алгоритму, описанному в [http://www.modbus.org/specs.php спецификации Modbus], в документе "Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide", раздел "CRC-generation". Передающее устройство формирует два байта контрольной суммы на основе данных сообщения, а принимающее устройство заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает с полученной. Совпадение принятой и вычисленной контрольной суммы Modbud RTU считается индикатором успешного обмена данными.

В случае ограниченных вычислительных ресурсов для вычисления контрольной суммы существует функция, использующая табличные значения (так же приведена в спецификации).

</translate>