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Modbus协议RTU模式与TCP模式的通信转换设计


第 13 卷 第 18 期 2013 年 6 月 1671 — 1815 ( 2013 ) 18-5191-06















Science Technology and Engineering

Vol. 13 No. 18 Jun. 2013 ? 2013 Sci. Tech. Engrg.

Modbus 协议 RTU 模式与 TCP 模式的通信转换设计
刘紫燕 冯 亮 詹志辉
( 贵州大学计算机科学与信息学院, 贵阳 550025 )





Modbus 通信协议运用于电能优化管理系统中, 需要将串行链路通信模式转换为以太网通信模式 。 在详细分析 Mod-

bus 串行链路通信协议的基础上, 分别实现了 Modbus RTU 模式和 Modbus TCP 模式的通信, 然后完成了 Modbus RTU 与 Modbus TCP 模式的通信转换。该方法为电能优化管理系统的通信和系统集中控制提供了良好的技术支持 。 关键词 Modbus 通信协议 TN929. 5 ; 电能优化管理系统 文献标志码 A RTU 模式 TCP 模式 中图法分类号

随着信息技术和工业现场控制技术的发展 , 电 能优化管理系统将融合多种学科、 结合多种技术。 在电能优化管理系统中, 各种智能模块和现场设备 以便最大限度的进行集中监控, 互连成通信网络, 因此网络通信和通信协议的运用是工业控制不可 或缺的重要组成部分 管理系统集成之中。 目前常用的 Modbus 通信分为两种物理接口方 232C 兼容串行接口( 或通过 RS式, 一种是经由 RS232 /485 转换器转换 成 RS485 接 口 ) 组 成 Modbus 网络进行通信, 另一种通过以太网结合 TCP / IP 协
[2 ] 议组 成 Modbus TCP 网 络 进 行 通 信 。 在 Modbus [1 ]

突出。

1

Modbus 通信模式
Modbus 协议是由 Modicon 公司在 1979 年开发

出来的网络协议, 是第一个真正意义上用于工业现 场的总线协议。 它定义了设备与设备之间的信息 使控制器之间、 控制器和其它设备之间 传输方式, 可以进行通信和传输数据 1. 1 Modbus RTU 模式 Modbus 串行链路通信分 RTU 和 ASCII 两种协 议传输模式
[4 ] [3 ]

。 Modbus 通信协议作为工

可以使用在电能优化 业控制领域最为流行的协议,



。 ASCII 是早期的模式, 现在已经很

少使用。由于 RTU 模式在相同通信速率下具有更 大的数据流量, 所以现在几乎所有工业仪表都采用 RTU 模式。 RTU 模式规定了消息、 数据的结构、 命 RTU 模 式 采 用 16 位 令和应答 的 方 式, 在 校 验 上, CRC 校验。表 1 为 Modbus RTU 信息帧结构。
表1 Modbus RTU 信息帧结构

协议运用于电能优化管理系统中, 需要实现串行链 路通信模式向以太网模式的转换。 现结合电能优 化管理系统的通信需求, 分别实现了 RTU 和 TCP 模 式的通信, 并完成了 RTU 与 TCP 模式的通信转换, 成功将 Modbus 协议应用于电能优化管理系统中 。 随着工业以太网传输效率的不断提高、 技术的不断 Modbus 协议在电能管理领域的应用也将更加 完善,
2013 年 3 月 6 日收到 贵州省自然科学基金项目 ([ 2011] 2193 号) 资助

RTU 模式采用主从方式进行通信, 即主机发出 查询命令数据帧, 而从机响应查询命令数据帧作为 对主机的响应信息。 主机可单独和从机进行通信, 在通信过程中, 从机将返回一个消息帧。 若主机采 用广播方式进行查询, 则从机对主机不作回应。 主 从设备查询、 响应通信过程如图 1 所示。

第一作者简介: 刘紫燕( 1977 —) , 女, 贵州都匀人, 副教授, 硕士生导 mail: 师。研究 方 向: 无 线 通 信、 嵌 入 式 通 信、 下 一 代 网 络 等。 E374936833@ qq. com。

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图1

主从设备查询、 响应

1. 2

Modbus TCP 模式 Modbus TCP 协议是基于 Modbus 协议的一种工
图3 Modbus TCP / IP 通信结构

业现场总线的自动化标准, 是运行在 TCP / IP 上的 用于控制和监督自动化设备的 Modbus 报文传输协 该协议定义了在一个使用 TCP / IP 协议中如何 议, 对 Modbus 消息进行传输。 通过此协议, 主机和从 机相互 之 间 通 过 以 太 网 等 网 络 和 其 它 设 备 进 行 通信。 Modbus TCP 模 式 是 将 Modbus 帧 嵌 入 到 TCP 帧, 其数据帧格式如图 2 所示。MBAP 报文头由传 输标志、 协议标志、 长度和单元标志组成。 Modbus 协议 TCP 模式相比 RTU 模式报文格式, 多了前缀, 少了后面的 CRC 校验, 它是采用 TCP / IP 和链路层 ( 以太网) 校验和机制来校验分组交换的准确性[5]。

2

Modbus RTU 模式的实现
Station 以 在电能优化管理系统中, 各种 EOMS-

及能源监测 Station 等都是以串行链路的形式挂接 Station 和 在厂级 Sever 上, 由厂级 Server 对 EOMS能源监测 Station 进行监控以及通信控制。 本节将 通过 RS232 串口连接两台计算机构成所需的硬件 利用 Modbus Poll 和 Modbus Slave 软件模拟主 平台, 从机来实现 RTU 模式通信的实现。 由电能优化管理系统的通信机制和需求可知 , 其实现主要包括两个部分: RTU 模式主设备端程序 和从设备端程序开发。 程序开发的具体过程为: 首 先为 Modbus RTU 模式主设备编写串口通信程序, 另一台计算机运行 Modbus Slave 软件作为 RTU 模 式从设备; 其次为 RTU 模式从设备编写串口通信程 序, 另一台计算机运行 Modbus Poll 软件作为 RTU 模式主设备; 最后, 脱离 Modbus Slave 和 Modbus Poll 软件来进行 Modbus RTU 串口通信的实现, 从而完 成电能优化管理系统的 Modbus RTU 模 式 的 通 信 实现。 在使用 Modbus Slave 软件模拟 RTU 模式从设 备时, 应对其做出一些设置。 在进行通信前, 还要 设置 Modbus Slave 的相关串口参数以及功能码的选 取。主设备则 对 应 从 设 备 的 相 关 参 数 进 行 设 置 , 如: 数据位、 停止位、 波特率、 奇偶校验位以及功能

图2

Modbus TCP 信息帧格式

在 Modbus TCP 通信系统中可以包含两种不同 类型的主机和从机: 一种为连接至 TCP / IP 网络的 Modbus TCP / IP 主机和从机设备; 另一种为互联设 如 TCP / IP 网络和串行链路子网之间互联的路 备, 由器、 网桥或网关等, 该子网允许将 Modbus 串行链 路的主机和从机连接起来。 Modbus TCP / IP 通信结 构如图 3 所示。

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刘紫燕, 等: Modbus 协议 RTU 模式与 TCP 模式的通信转换设计

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码的选取等。在本通信实现中, 主机的参数设置是 直接通过编程语言来进行设置, 相关参数设置如表 2 所示。
表2
属性 Port port BaudRate port DataBits port Parity port StopBits slaveld startAddress Register

设备串口程序, 从而实现电能优化管理系统中 RTU 模式的通信。

3
Modbus Slave 相关参数设置
意义 / 值 端口为 COM1 9 600 8 Panty None StopBits one 表示需要被访问的从机号 表示主设备访问从设备的起始地址 表示主设备访问从设备的寄存器数

Modbus TCP 模式的实现
在电 能 优 化 管 理 系 统 中, 各种服务器( 集团

Server、 监管部门 Server、 厂级 Server 等 ) 都挂接在以 太网上, 通过以太网来实现服务器之间的通信。 本 节将通过两台计算机组成一个小型局域网来构成 协议 实 现 所 需 的 硬 件 平 台, 利 用 Modbus Poll 和 Modbus Slave 软件模拟主从机设备来实现 Modbus TCP 模式通信的实现。 TCP 模式通信的 与 RTU 模式通信的实现一样, 实现也主要包括两个部分: TCP 模式主机程序和从 机程序开发。在 Modbus Slave 模拟从机的通信实现 过程中, 先对 Modbus Slave 进行设置, 使其工作在 Modbus TCP 协议下, 运行 Modbus Slave 的计算机即 为 Modbus TCP 模式的从机。 然后在另一台计算机 所运行的主机程序 运行 Modbus TCP 模式主机程序, 应设置好被访问的从机的 IP 地址和端口号, 这样两 台计算机就可以分别当作主机和从机进行 Modbus TCP 模式的通信。 图 5 为 TCP 模式主机端程序运 行显示的数据。 由主机请求帧中的功能码和从机响应帧中的 功能码等分析可得: Modbus TCP 模式主机端通信程 Modbus TCP 主机可以和 Modbus Slave 序运行正确, 从机模拟器进行通信。 下面将对 Modbus TCP 模式 从机通信程序的实现进行研究和分析 。

当编写好 Modbus 主设备的参数设置后, 首先 使其处于监听的 运行 Modbus Slave 从机模拟软件, 状态。然后运行 Modbus RTU 主设备端串口通信程 序, 程序将根据设置好的参数, 发送相应请求帧, 从 机接收到主机发送的请求帧后, 根据请求帧的请求 内容, 向主机发送相应的响应帧。 在主机和从机通 Modbus RTU 通信协议中的 CRC 校验能 信过程中, 保证数据传输的准确性, 可以根据主机请求帧中的 功能码和从机响应帧中的功能码来确定串口通信 内容是否正确
[6 ]

。 图 4 为 RTU 模式主设备端程序

运行显示的数据。 完成以上通信后即可得到 RTU 模式主设备端 串口通信程序。 然后为 RTU 模式从设备编写串口 通信程序, 另一台计算机运行 Modbus Poll 主机模拟 软件作为 RTU 模式主设备来验证从机串口程序的 正确性。 以上工作完成后, 可得到 RTU 模式主、 从

图4

RTU 模式主设备端程序运行显示的数据

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图5

TCP 模式主机端程序运行显示的数据

在进行 Modbus TCP 模式从机通信程序实现过 需设置 Modbus TCP 模式从机的相关参数, 然 程中, 后运行 Modbus TCP 从机程序, 等待 Modbus TCP 主 机的访问。Modbus TCP 主机通过 Modbus Poll 主机 模拟器来实现, 在 Modbus Poll 运行之前应对 Modbus Poll 进行设置, 使其工作在 Modbus TCP 模式下, 并且在从机上设置好 IP 和相应的通信端口号。 这 样两台计算机分别作为基于 Modbus TP 模式的从机 和主机进行通信, 验证 Modbus TCP 模式从机通信程 序正确性, 从而实现电能优化管理系统中 TCP 模式 的通信。

式, 在 本 协 议 通 信 转 换 过 程 中 主 要 运 用 到 了 TCP Server 工作模式。图 6 为协议转换硬件连接图。

图6

协议转换硬件连接图

4 Modbus RTU 与 TCP 模式的通信转换的实现
如何使各种智能模块和现场设备互连成通信 网络, 最大限度的进行集中监控, 成为电能优化管 理系统中关键技术难题。 所以必须将工业以太网 在工业控制中发挥主干线网络作用, 使其对串行链 路通信集中控制。本节对 Modbus RTU 串行链路模 式向 TCP 模式通信转换的研究也就可以解决上面 这个问题, 从而使电能优化管理系统中各种智能模 块和现场设备互连成通信网络等难题得到解决
[7 ]

连接好设备和模块后, 通过 ZNetCom 软件对 ZNE —300T / TI 的 IP 地址信息、 网络参数、 串口参等 进行设置。 在 Modbus 通信协议转换实现前, 应进 一步确认整个连接环境的通信是否处于正常状态 , 以避免在通信协议转换实现的过程中带来不必要 的困扰。 在 Modbus 协议 TCP 模式与 RTU 模式通信转换 的实现过程中, 其原理是将 Modbus 通信协议与以 太网和串行链路分离。 Modbus 主机在 TCP 上传输 至中间模块 ZNE —300T / TI, 然后 ZNE —300T / TI 将 获得的信息帧通过串行链路透明传输给 Modbus 从 机, 从机接收到 Modbus TCP 信息帧进行解析, 并将 ZNE — 响应的信息帧返回 给 ZNE —300T / TI 模 块, 300T / TI 模块 将 获 得 的 串 行 链 路 的 帧 透 明 传 输 给 Modbus 主机, 最后 Modbus 主机通过协议解析, 将获 得的 Modbus RTU 串行链路的信息帧解析为 Modbus TCP 信息帧。 这样, 就完成了整个 Modbus TCP 与 Modbus RTU 模式通信的实现。图 7 为 Modbus RTU



电能优化管理系统中 Modbus 协议 RTU 模式与 TCP 模式的通信转换, 目的要让 RS—232 /485 等串 口设备转化成具有 TCP / IP 网络界面的网络外设。 在其实现过程中, 本文使用了 ZNE —300T / TI 模块, 它是周立功公司开发的一款全功能嵌入式以太网 串口数据转换模块, 内部集成了 TCP / IP 协议栈, 可 以完成嵌入式设备的网络功 能, 具 有 TCP Server、 TCP Client、 UDP 和 Real COM driver 等多种工作模

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模式从机数据显示图, 图 8 为 Modbus 主机发送和接 收数据显示图。

由图 8 可知, 主机基于 Modbus TCP 模式发送的 179 , 0, 0, 0, 6, 1, 3, 0, 0, 0, 10 。 由 Modb命令帧为 0 , us TCP 的信息帧格式可以得出主机将向地址为 1 的从机设备读保持寄存器, 读取起始地址为 02 , 连 22 , 续读取 10 个数据。并且读取的数据分别为 21 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 。 对照图 8 从机数据可 知读取数据正确。 对照从机接收、 发送的数据帧界 面可知基于 Modbus RTU 模式接收和发送的数据帧 正确。由此 可 知 该 通 信 正 常, 达到通信的预期效 果, 实现 了 Modbus TCP 模 式 和 RTU 模 式 之 间 的 通信。

图7

Modbus RTU 模式从机数据显示

图8

Modbus 主机发送和接收数据显示图 参
1 2

5

结束语
在满足对电能优化管理系统通信需求的情况







下, 结合硬件设备和仿真软件, 设计并实现了 Modbus RTU 模 式、 Modbus TCP 模 式 的 通 信, 并完成了 Modbus 协议 RTU 与 TCP 模式的通信转换。 从而可 以解决电能优化管理系统中各种智能模块和现场 设备互连成通信网络、 最大限度进行集中监控等关 键技术难题。 随着工业以太网传输效率的不断提 高、 技术的不断完善, 相信 Modbus 在电能管理领域 的应用也将更加突出。

3

4 5 6 7

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13 卷

Conversion of RTU mode and TCP mode in Modbus Communication Protocol
LIU Ziyan,FENG Liang,ZHAN Zhihui
( College of Computer Science and Information,Guizhou University,Guiyang 550025 ,P. R. China)

[ Abstract] Modbus communication protocol is often used in power optimization management system,which has to convert serial link mode to Ethernet mode. After analyzing the Modbus serial link communication protocol,the communication of Modbus RTU mode and Modbus TCP mode is implemented separately,and then the communication conversion of Modbus RTU and Modbus TCP mode is achieued. This method offers good technical support for communication and central control of power optimization management system. [ Key words] modbus communication protocol power optimization management system RTU mode TCP mode 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 ( 上接第 5134 页)
11 Tillier J,Bourgault D,Odier P,et al. Tuning macrotwinned domain sizes and the bvariants content of the adaptive 14modulated martensite in epitaxial NiMnGa films by cosputtering. Acta Materialia, 2011 ; 59 ( 1 ) : 75 —81 12 Tillier J,Bourgault D,Pairis S,et al. Martensite structures and twinning in substrateconstrained epitaxial NiMnGa films deposited by a magnetron cosputtering process. Physics Procedia,2010 ; 10 : 168 —173

Research on Magnetic Propertied of Ni50. 3 Mn27. 3 Ga22. 4 Magnetic Shape Memory Alloy Thin Film
AI Ruibo1 , LIU Chao2* ,SUN Qi2 ,MU Haiwei2
( College of Science Qiqihar University Qiqihar1 ,Qiqihar 161006 ,P. R. China College of Electronic Science,Northeast Petroleum University2 ,Daqing 163318 ,P. R. China)

[ Abstract]

The Ni50. 3 Mn27. 3 Ga22. 4 magnetic shape memory alloy thin film has been prepared by using magnetron

sputtering method. The martensitic transformation behavior,magneticfield enhancement strain and the effect of temperature on magneitcfieldinduced strain have been systematically investigated. The results show that the Ni50. 3 Mn27. 3 Ga22. 4 alloy thin film annealed at 823 K for 1 hour is at austenite phase state at room temperature,and the martensitic tansformation starting temperature is approximately 271. 5 K. It is found that martensitic transformation strain increases with increasing external magnetic field along with the film plane when the field increases from 0 to 0. 8 T,showing magnetic field enhancement effect to martensitic transformation strain. It is also found that the saturated magneticfieldinduced strains ( MFIS) of NiMnGa thin films remarkably depend on operation temperatures. The saturated MFIS of Ni50. 3 Mn27. 3 Ga22. 4 thin films firstly increases and then decreases with increasing operation temperature below reverse martensitic transformation end temperature( A f ) and the maximum saturated MFIS can be obtained around the martensitic transformation start temperature( M s ) . [ Key words] NiMnGa shape memory alloy thin film martensitic transformation


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