16 885
правок
Kilpio (обсуждение | вклад) |
|||
(не показано 114 промежуточных версий 11 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
<languages/> | |||
<translate> | |||
{{DISPLAYTITLE: Протокол Modbus}} | |||
==Основные понятия== <!--T:1--> | |||
{{YouTube | |||
|link= https://youtu.be/d_olK15Xhkw | |||
|text= Всё о Modbus и модулях Wiren Board | |||
}} | |||
<!--T:2--> | |||
Modbus - это протокол, который служит для обмена данными между устройствами автоматизации и реализован в виде "протокола ответов на запросы (request-reply protocol)". | |||
<!--T:3--> | |||
В устройствах Wiren Board 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. | |||
<!--T:4--> | |||
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 передается. Такой символ передает 1 байт данных. В устройствах Wiren Board по умолчанию 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 передает больше информации при той же скорости последовательной линии, и в устройствах Wiren Board используется именно он. Все дальнейшее описание относится к Modbus RTU. | |||
<!--T:5--> | |||
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. | 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. | ||
[[ | <!--T:6--> | ||
[[File:Modbus_Datagram.png|700px|thumb|right|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 | <!--T:7--> | ||
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 PDU 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. | |||
<!--T:8--> | |||
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. | 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. | ||
<gallery mode="packed" heights="300px"> | |||
File:Modbus_transaction_OK.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция, прошедшая без ошибок | |||
File:Modbus_transaction_ERR.png|700px|thumb|center|Modbus-транзакция с ошибками | |||
</gallery> | |||
<!--T:10--> | |||
При возникновении ошибки устройством возвращается код ошибки. При обычной транзакции код функции в ответе возвращается без изменений; при ошибке старший бит кода функции устанавливается в единицу (то есть ''код функции'' + 0x80). Так же есть таймаут ожидания ответа от ведомого устройства — бессмысленно долго ждать ответ, который, возможно, никогда и не придет. | |||
==Структуры данных Modbus== <!--T:14--> | |||
<!--T:15--> | |||
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. | |||
==Модель данных Modbus== <!--T:16--> | |||
<!--T:17--> | |||
Обмен данными с Modbus-устройствами происходит через регистры. В протоколе Modbus определяется четыре типа регистров, показанных в таблице: | Обмен данными с Modbus-устройствами происходит через регистры. В протоколе Modbus определяется четыре типа регистров, показанных в таблице: | ||
{|class="wikitable" align="center" | {|class="wikitable" align="center" | ||
Строка 49: | Строка 64: | ||
|} | |} | ||
<!--T:18--> | |||
'''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. | '''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 | <!--T:19--> | ||
'''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 | <!--T:20--> | ||
'''Регистры хранения''' (Holding Registers) и '''регистры ввода''' (Input Registers) представлены двухбайтовым словом и могут хранить значения от 0 до 65535 (0x0000 — 0xFFFF). | |||
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. | 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. | ||
== Адреса регистров == | |||
Регистры в стандарте Modbus адресуются с помощью 16-битных адресов. Адресация начинается с нуля. Адрес регистра, таким образом, может принимать значения от 0 до 65535. | |||
Адресные пространства регистров, также называемые таблицами или блоками, могут быть различны для всех четырёх типов регистров. Это значит, что значения регистров с одинаковым адресом, но разным типом, в общем случае разные. | |||
Например, при чтении регистра флагов (coil) номер 42, регистра дискретного входа (Discrete), регистров ввода и хранения (Input и Holding) с теми же адресами, можно получить четыре разных значения. | |||
=== Нестандартная адресация === | |||
В документации на некоторые, особенно старые, устройства адреса элементов (регистров) указываются в формате, не соответствующем стандарту. В этом формате тип элемента кодируется первой цифрой адреса, а адресация начинается не с нуля. | |||
Например, регистр хранения с адресом 0 может записываться как 40001 или 400001, а Coil с адресом 0 как 000001. | |||
В таблице перевода адресов в стандартный формат показаны диапазоны для двух разных нестандартных типов указания адресов и соответствующие им типы данных и диапазоны стандартных адресов. | |||
{|class="wikitable" align="center" | {|class="wikitable" align="center" | ||
! | ! Тип данных || Стандартные адреса || Стандартные адреса (hex) || Нестандартные адреса (5 цифр) || Нестандартные адреса (6 цифр) | ||
|- | |||
! Флагов (Coils) | |||
| 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 00001 - 09999 || 000001 - 065536 | |||
|- | |- | ||
! | ! Дискретных входов (Discrete) | ||
| 0 || | | 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 10001 - 19999 || 100001 - 165536 | ||
|- | |- | ||
! | ! Регистры входов (Input Registers) | ||
| | | 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 30001 - 39999 || 300001 - 365536 | ||
|- | |- | ||
! Регистры хранения (Holding Registers) | ! Регистры хранения (Holding Registers) | ||
| 0-65535 || 0x0000 - 0xFFFF || 40001 - 49999 || 400001 - 465536 | |||
|- | |||
|} | |} | ||
Признаки использования нестандартной адресации: | |||
* Адреса записываются в десятичном формате | |||
* Во всех адресах пять или шесть цифр | |||
* Адреса с недискретными данными (показания датчиков и т.п.) начинаются на 30 или 40 | |||
Часто рядом с нестандартными адресами указываются и адреса соответствующие стандарту, обычно в шестнадцатеричном формате. | |||
Стоит отметить, что физически в пакете данных передаются адреса в стандартном формате, независимо от способа представления их в документации. | |||
В готовых шаблонах устройств контроллера Wiren Board | === Пример описания регистров в документации === | ||
<!--T:26--> | |||
В готовых шаблонах устройств для контроллера Wiren Board 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: | 220 Modbus Smart Meter Modbus Protocol Implementation V1.0" перечислены регистры и соответствующие им измеряемые параметры, например: | ||
<!--T:27--> | |||
{|class="wikitable" align="center" | {|class="wikitable" align="center" | ||
! Address (Register)|| Description || Units || Modbus Protocol Start Address Hex (Hi Byte Lo Byte) | ! Address (Register)|| Description || Units || Modbus Protocol Start Address Hex (Hi Byte Lo Byte) | ||
Строка 101: | Строка 136: | ||
| ... || ... || ... ... | | ... || ... || ... ... | ||
<!--T:28--> | |||
|} | |} | ||
<!--T:29--> | |||
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. | 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. | ||
[[ | <!--T:30--> | ||
[[File:SDM220_Template.png|700px|thumb|center|Фрагмент шаблона счетчика SDM220]] | |||
=== Коды функций чтения и записи регистров === <!--T:31--> | |||
<!--T:32--> | |||
В следующей таблице приведены наиболее распространенные коды функций Modbus: | |||
<!--T:33--> | |||
{|class="wikitable" align="center" | |||
!Код функции || HEX || Название || Действие | |||
|- | |||
! 1 | |||
| 0x01 || Read Coils || Чтение значений нескольких регистров флагов | |||
|- | |||
! 2 | |||
| 0x02 ||Read Discrete Inputs || Чтение значений нескольких дискретных входов | |||
|- | |||
! 3 | |||
| 0x03 ||Read Holding Registers || Чтение значений нескольких регистров хранения | |||
|- | |||
! 4 | |||
| 0x04 ||Read Input Registers || Чтение значений нескольких регистров ввода | |||
|- | |||
! 5 | |||
| 0x05 ||Write Single Coil || Запись одного регистра флагов | |||
|- | |||
! 6 | |||
| 0x06 ||Write Single Register || Запись одного регистра хранения | |||
|- | |||
! 15 | |||
| 0x0F ||Write Multiple Coils || Запись нескольких регистров флагов | |||
|- | |||
! 16 | |||
| 0x10 ||Write Multiple Register || Запись нескольких регистров хранения | |||
|- | |||
|} | |||
<!--T:34--> | |||
Команды условно можно разделить по типам: чтение значений — запись значений; операция с одним значением — операция с несколькими значениями. | |||
=== Формат данных запросов и ответов Modbus === <!--T:35--> | |||
<!--T:36--> | |||
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. | |||
[[File:Read_8_Coils_2.png|600px|thumb|center|Обмен данными в Modbus]] | |||
<!--T:37--> | |||
В качестве данных мы получили шестнадцатеричное число 0x2D, то есть состояние восьми coil-регистров в двоичном виде такое: 0b10110100. | |||
<!--T:38--> | |||
---- | |||
<!--T:39--> | |||
В следующей таблице приведены структуры данных запросов и ответов для основных функций Modbus. | |||
<!--T:40--> | |||
{|class="wikitable" align="center" | |||
!Код функции || Запрос || Ответ | |||
|- | |||
! 1 (Read Coils) и 2 (Read Discrete Inputs) | |||
|<ul><li>Адрес первого регистра флагов или входного регистра (16 бит)</li><li>Количество данных (8 значений на байт) (16 бит)</li><ul>|| <ul><li>Число передаваемых байт (8 бит)</li><li>Значения регистров флагов или входных регистров (8 значений на байт)</li></ul> | |||
|- | |||
! 3 (Read Holding Registers) и 4 (Read Input Registers) | |||
|<ul><li>Адрес первого регистра (16 бит)</li><li>Количество регистров, которые нужно прочесть</li><ul>|| <ul><li>Число передаваемых байт (8 бит)</li><li>Значения регистров (16 бит на 1 регистр)</li></ul> | |||
|- | |||
! 5 (Write Single Coil) | |||
|<ul><li>Адрес регистра (16 бит)</li><li>Значение, которое нужно записать (0 — выключить, 0xFF00 — включить)</li><ul>|| Ответ аналогичен запросу | |||
|- | |||
! 6 (WriteSingle Register) | |||
|<ul><li>Адрес регистра(16 бит)</li><li>Новое значение регистра (16 бит)</li></ul>|| Ответ аналогичен запросу | |||
|- | |||
! 15 (WriteMultipleCoils) | |||
| <ul><li>Адрес первого регистра флагов для записи (16 бит)</li><li>Количество регистров флагов для записи (16 бит)</li><li>Количество передаваемых байт данных для регистров флагов (8 бит)</li><li>Данные (8 регистров флагов на байт)</li></ul> || <ul><li>Адрес первого coil-регистра (16 бит)</li><li>Количество записанных coil-регистров(16 бит)</li></ul> | |||
|- | |||
! 16 (Write Multiple register ) | |||
| <ul><li>Адрес первого регистра хранения для записи (16 бит)</li><li>Количество регистров хранения для записи (16 бит)</li><li>Количество передаваемых байт данных для регистров (8 бит)</li><li>Данные (16 байт на регистр)</li></ul> || <ul><li>Адрес первого регистра хранения (16 бит)</li><li>Количество записанных регистров хранения(16 бит)</li></ul> | |||
|- | |||
|} | |||
=== Коды исключений (ошибки) Modbus === <!--T:41--> | |||
<!--T:42--> | |||
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: | |||
<!--T:43--> | |||
[[File: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". | |||
<!--T:44--> | |||
Наиболее распространенные коды ошибок Modbus приведены в следующей таблице: | |||
<!--T:45--> | |||
{|class="wikitable" align="center" | |||
!Код ошибки || Название ошибки|| Что означает | |||
|- | |||
! 1 | |||
| Illegal Function || В запросе был передан недопустимый код функции | |||
|- | |||
! 2 | |||
| Illegal Data Address ||Указанный в запросе адрес не существует | |||
|- | |||
! 3 | |||
| Illegal Data Value || Неверный формат запроса, например количество байт в запросе не соответствует ожидаемому. | |||
'''Примечание''': несмотря на название, эта ошибка не говорит о том, что само значение регистра неправильное или ошибочное, и должна использоваться только для ошибок формата запроса. | |||
|- | |||
! 4 | |||
| Server Device Failure ||Произошла невосстановимая ошибка на устройстве при выполнении запрошенной операции | |||
|- | |||
! 5 | |||
| Acknowledge ||Запрос принят, выполняется, но выполнение потребует много времени; необходимо увеличить таймаут. | |||
|- | |||
! 6 | |||
| Server Device Busy ||Устройство занято обработкой предыдущего запроса. | |||
|- | |||
! 7 | |||
| Negative Acknowledge || Устройство не может выполнить запрос, необходимо получить от устройства дополнительную диагностическую информацию. Возможно, требуется тех. обслуживание. | |||
|- | |||
! 8 | |||
| Memory Parity Error || Ошибка четности при обращении к внутренней памяти устройства. | |||
|- | |||
|} | |||
=== Вычисление контрольной суммы Modbus === <!--T:46--> | |||
<!--T:47--> | |||
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 Modbus RTU считается индикатором успешного обмена данными. | |||
<!--T:48--> | |||
В случае ограниченных вычислительных ресурсов для вычисления контрольной суммы существует функция, использующая табличные значения (также приведена в спецификации). | |||
== Расширение протокола Modbus от Wiren Board == | |||
{{Anchor|modbus-ext}} | |||
Мы производим устройства, которые работают по стандартному протоколу Modbus RTU. Но протокол очень старый и имеет ряд недостатков, которые мы решили устранить. | |||
Мы добавили к стандартному протоколу новые функции: настраиваемое время задержки, игнорирование стопбитов и режим сплошного чтения регистров. | |||
Также выпустили расширение протокола под названием «Быстрый Modbus». В нем появились события и быстрое сканирование устройств на шине RS-485. | |||
Ниже описаны новые функции, а про расширение «Быстрый Modbus» читайте на [[Fast_Modbus |странице с описанием]]. | |||
Всё описываемое справедливо только для Modbus-устройств Wiren Board. | |||
=== Настраиваемое время задержки ответа устройством === | |||
Устройства работают по стандарту, поэтому отвечают master-устройству через 3.5 символа после конца кадра запроса. | |||
Но некоторые сторонние master-устройства могут не соблюдать стандарт и после отправки запроса продолжают удерживать приемопередатчик в режиме отправки некоторое время. | |||
В устройствах есть специальный регистр 113, в котором можно настроить время ответа slave-устройства в миллисекундах. Нужное значение подбирается опытным путём. | |||
=== Игнорирование стопбитов === | |||
Устройства всегда ожидают от мастера 1 стопбит, а отправляют ответ с 2. | |||
Благодаря этому невозможно неправильно настроить стопбиты в master- и в slave-устройстве. Передача ответов более надежная даже, если мастер ожидает 1 стопбит. В последних прошивках настройка стопбита в регистре 112 игнорируется. | |||
=== Режим сплошного чтения регистров === | |||
Часто на устройствах регистры расположены с зазором, который не позволяет читать все необходимые регистры подряд одной командой. | |||
Мы добавили режим сплошного чтения, который активируется записью 1 в регистр 114. При активации можно запрашивать любой регион, который укладывается по длине в ограничения команды чтения. | |||
При таком запросе устройство вернёт пакет со значением регистров. Если регистры отсутствуют в устройстве, то для них будет возвращено значение 0xFFFE. | |||
</translate> |