GE MODBUS RTU中文进阶教程：打造可扩展的工业通讯架构

 # 摘要 MODBUS RTU协议作为工业通讯领域广泛使用的标准之一，本文对其实现了全面的探讨。文章首先概述了MODBUS RTU协议的基本概念和应用场景，然后详细分析了协议的数据帧结构、地址分配、错误校验等关键要素，并进一步探讨了在工业自动化中如何应用该协议，包括设备连接、通讯过程模拟和网络扩展技术。接着，文章介绍了MODBUS RTU编程实践，包括开发环境的搭建、编程技巧以及客户端和服务器端的代码实现。最后，通过模块化设计原理，提出了构建可扩展MODBUS RTU通讯架构的方案，并通过案例研究对技术的未来趋势进行了展望。本文为工程师提供了深入理解MODBUS RTU协议和实施相关解决方案的全面指南。 # 关键字 MODBUS RTU；数据帧结构；地址分配；CRC校验；工业通讯；网络扩展技术 参考资源链接：[GE PLC MODBUS RTU 主站通讯指南](https://wenku.csdn.net/doc/4mcyz99o6v?spm=1055.2635.3001.10343) # 1. MODBUS RTU协议概述 Modbus RTU协议是一种在串行通信中广泛使用的协议，主要用于工业环境中的设备间通信。RTU是Remote Terminal Unit的缩写，代表“远程终端单元”。这种协议由Modicon公司（现施耐德电气公司的一个部门）在1979年首次发布。作为一种成熟和开放的工业通讯协议，Modbus RTU以它的简单、高效和跨平台兼容性获得了业界的广泛认可。 该协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们所使用的网络物理层。在Modbus RTU模式下，数据以二进制形式进行传输，使用循环冗余检验（CRC）来检测消息是否被损坏。与其他通讯协议相比，Modbus RTU以其高效率和可靠性，在众多工业应用中占据了一席之地。 本章节将对Modbus RTU协议进行一个基础性的介绍，为理解后续章节内容打下坚实的基础。从数据帧结构到错误校验，从通讯初始化到读写请求与响应的模拟实践，我们将逐步深入Modbus RTU的核心概念，并为读者提供实际应用的参考。 # 2. MODBUS RTU理论基础与实践 ## 2.1 MODBUS RTU数据帧结构分析 ### 2.1.1 数据帧格式详解 MODBUS RTU的数据帧结构是实现通讯的基础。MODBUS RTU协议数据帧没有起始和结束字符，而是以特定的格式连续传送。一个典型的MODBUS RTU数据帧包括设备地址、功能码、数据以及循环冗余校验（CRC）码。 ```plaintext [设备地址][功能码][数据][CRC校验] ``` - **设备地址**：位于数据帧的第一字节，用于标识数据帧的目标从机设备。 - **功能码**：位于设备地址后的第一字节，指示从机将执行何种操作，例如读取保持寄存器或写入单个寄存器等。 - **数据**：根据功能码的不同，该部分可以包含不同的信息，比如寄存器的地址和数量等。 - **CRC校验**：位于数据帧的最后两个字节，用于错误检测。所有字节都会参与CRC计算。 为了深入理解数据帧的结构，让我们模拟一个MODBUS RTU请求帧。假设我们要从设备读取从地址0x03开始的10个寄存器的内容。 ```plaintext [01][03][00 03][00 0A][14 FA] ``` - **设备地址（01）**：表示请求是从机地址为1的设备。 - **功能码（03）**：表示读取保持寄存器的操作。 - **数据（00 03）**：表示从寄存器地址0003开始读取。 - **数据（00 0A）**：表示读取的寄存器数量为10个。 - **CRC校验（14 FA）**：计算得到的CRC值，用于检验数据帧的完整性。 ### 2.1.2 功能码的作用和分类 MODBUS RTU协议定义了一系列的功能码来执行不同的操作。功能码的分类和作用是如下： - **01-0F**：用于读取设备的各种状态和寄存器值。 - **10**：用于读取指定数量的寄存器值。 - **14-1E**：用于写入单个或多个寄存器。 - **20-2B**：用于执行不同的控制器功能，如记录开关、读写事件计数器等。 每个功能码后面跟随的数据字节和意义都不同，但它们都遵循相同的结构规则和错误检测机制。理解每个功能码的具体用途，对于构建有效的通讯请求至关重要。 ## 2.2 MODBUS RTU地址与错误校验 ### 2.2.1 设备地址的分配和寻址模式 在MODBUS RTU网络中，每个从属设备都需要一个唯一的设备地址。地址范围通常从0x00到0xFF（0到255）。地址分配通常遵循以下规则： - 地址0x00是广播地址，用于向所有从属设备发送消息，但不期待任何响应。 - 地址0x01到0xFF用于特定从属设备的标识。 根据应用需求，设备地址的分配可以是静态的，也可以是动态的，使用某些自动化工具进行分配。 在进行通讯前，必须确认每个设备的地址，并确保网络中的地址唯一，避免冲突。 ### 2.2.2 CRC校验的计算和验证 CRC校验是MODBUS RTU通讯中保证数据完整性的关键步骤。CRC校验码通过一个特定的多项式进行计算，可检测出数据帧中的奇数位错误、偶数位错误、小于或等于两个字节长度的突发错误以及所有单字节长度的错误。 CRC计算步骤大致如下： 1. 对数据帧中的每个字节的每一位进行运算。 2. 使用一个预定义的多项式，例如0xA001，进行模2除法。 3. 所得余数即为CRC值，附加到原始数据帧的末尾。 在接收端，接收到的数据帧将被以同样的多项式进行CRC校验，如果校验结果为零，则表示传输过程中未出现错误。如果校验失败，则意味着数据可能已被破坏。 让我们看一个简单的例子，展示如何计算CRC值： ```c uint16_t crc16(uint8_t *buffer, uint16_t buffer_length, uint16_t crc) { for (int i = 0; i < buffer_length; ++i) { crc ^= buffer[i]; // XOR byte into least sig. byte of crc for (int j = 8; j != 0; --j) { // Loop over each bit if ((crc & 0x0001) != 0) { // If the LSB is set crc >>= 1; // Shift right and XOR 0xA001 crc ^= 0xA001; } else // Else LSB is not set crc >>= 1; // Just shift right } } return crc; } // 假设buffer是包含MODBUS RTU帧的数组，buffer_length是其长度，初始化crc为0xFFFF开始计算 uint16_t crc = crc16(buffer, buffer_length, 0xFFFF); ``` 在实际应用中，需要将计算得到的`crc`值转换为两个字节，并附加到数据帧的末尾。接收端接收到数据帧后，执行相同的CRC计算，并与接收到的CRC值进行比较以验证数据完整性。 ## 2.3 MODBUS RTU通讯过程模拟 ### 2.3.1 串行通讯的初始化设置 在使用MODBUS RTU协议进行串行通讯时，必须对串行设备进行适当的初始化设置。这包括设置波特率、数据位、停止位和校验位等参数。在大多数情况下，MODBUS RTU通讯采用的是9600波特率，无奇偶校验位，1个起始位和1个停止位，但具体设置应与网络中的设备兼容。 示例代码展示如何在Linux系统中设置串行通讯参数： ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> #include <termios.h> int set_interface_attribs(int fd, int speed, int parity) { struct termios tty; memset(&tty, 0, sizeof tty); if (tcgetattr(fd, &tty) != 0) { fprintf(stderr, "error %d from tcgetattr", errno); return -1; } cfsetospeed(&tty, speed); cfsetispeed(&tty, speed); tty.c_cflag = (tty.c_cflag & ~CSIZE) | CS8; // 8-bit chars // disable IGNBRK for mismatched speed tests; otherwise receive break // as \000 chars tty.c_iflag &= ~IGNBRK; // disable break processing tty.c_lflag = 0; // no signaling chars, no echo, // no canonical processing tty.c_oflag = 0; // no remapping, no delays tty.c_cc[VMIN] = 0; // read doesn't block tty.c_cc[VTIME] = 5; // 0.5 seconds read timeout tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // shut off xon/xoff ctrl tty.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); // ignore modem controls, // enable reading tty.c_cflag &= ~(PARENB | PARODD); // shut off parity tty.c_cflag |= parity; tty.c_cflag &= ~CSTOPB; tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &tty) != 0) { fprintf(stderr, "error %d from tcsetattr", errno); return -1; } return 0; } int main() { int serial_port = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR); if (serial_port < 0) { fprintf(stderr, "Error %i fr ```