CN111083026A - 用于使用Modbus RTU标准协议进行主机从机通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用Modbus RTU(Modbus远程终端单元)标准协议进行主机从机通信的方法，该方法用于解决基于相同设置的设备地址的地址冲突并且用于标识连接到Modbus的具有设备标识的设备。被寻址的设备借助于其设备标识被唯一地标识，该设备标识由请求传输，并且新的设备地址借助于发送的请求被传输到该唯一标识的设备。有利地，本发明的基本概念基于将仅标准的通信方式即标准化的主机从机通信用于在总线上的唯一的设备地址的分配，并且基于将固有存在的设备标识例如序列号(参见下文)用于唯一地标识设备。

Description

用于使用Modbus RTU标准协议进行主机从机通信的方法

技术领域

本发明涉及用于使用Modbus RTU(Modbus Remote Terminal Unit，Modbus远程终端单元)标准协议进行主机从机通信的方法，该方法用于解决基于相同设置的设备地址的地址冲突并且用于标识连接到Modbus的具有设备标识的设备。

背景技术

从主机发送的请求具有Modbus RTU规范中定义的以下结构：用于设备地址的地址字段、随后是用于功能码的字段、数据字段和循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)字段，其中，用于起始寄存器的起始寄存器地址和寄存器数目在数据字段中被指示，所述起始寄存器地址和寄存器数目限定从起始寄存器地址开始彼此直接连续的寄存器的寄存器区域。

根据Modbus RTU规范的串行传输要求连接到总线的每个设备(总线用户)都具有唯一的设备地址(总线地址)，主机可以经由该唯一的设备地址寻址该设备。必须为每个用户分配在1到247的范围内的唯一地址。如果分配了两个或更多个相同的地址，则相应数目的设备通过主机的同一请求被寻址并发送应答。这些同时的应答导致总线上的地址冲突，该地址冲突仅由于出现传输错误而被检测到。主机无法解决问题的原因，即是同一设备地址被多次分配。

由于制造原因，特别是因为地址池仅提供有247个地址，因此相同类型的设备例如特定实施方式的传感器以相同配置的方式被传送是有利的。因此，如果这些设备中的几个连接到共享总线，则相同的设备地址被多次分配。由于无差错传输的要求，在Modbus RTU规范中描述了为每个总线用户分配唯一的总线地址。然而，没有提到如何可以实现这样的唯一分配。

存在用于借助于总线命令来设置设备地址的解决方案，但是在这种情况下，地址冲突是不可检测的且无法解决的。

到目前为止，地址冲突的问题已通过在调试阶段中即在设备的正常操作之前借助于定位元件将设备地址分配给相应的总线用户来处理，其中，操作员对该手动地址分配为唯一来负责。这样的定位元件可以例如实现为滑动开关或旋转开关。然而，其也可以被实现为在总线用户的例如电路板上或在总线板上的编码，使得设备地址经由插头(plug)站位被链接。

另一选择是依次连接总线用户，并在每种情况下基于已知的预设地址分配新的设备地址。

另外，在设置站处一次仅能够操作一个设备，并且因此可以经由广播分配地址。

又一选择是通过对按钮等进行致动来解锁总线用户，该总线用户经由广播消息接收新的总线地址以用于实现该消息。

此外，存在可用的解决方案，该解决方案使用附加的信令线缆来用信号发送总线用户的设备地址的自动选择。

最后，也可以借助于附加的硬件，例如经由RFID(射频识别)或NFC(近场通信)使为总线用户保存的设备地址是可用的。

不利地，所有提到的选择具有的共同之处在于，必须在设备的正常操作之前实现和完成设备地址的分配，以及/或者在大多数情况下需要附加的部件或连接线缆。另外，设备的定位元件通常以无法接近的方式布置或完全无法接近，例如，正如焊接或模制的传感器的情况一样。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种用于使用Modbus RTU标准协议进行主机从机通信以解决地址冲突的方法，该方法不需要附加的硬件例如定位元件或信令线缆。该方法旨在使得能够实现设备地址的无冲突分配，即使对于以无法接近的方式布置的设备也是如此。

根据实施方式，提供一种用于使用Modbus RTU标准协议进行主机从机通信的方法，该方法用于解决基于相同设置的设备地址的地址冲突并且用于标识连接到Modbus的具有设备标识的设备，该方法包括以下步骤：从主机发送请求，该请求包括用于设备地址的地址字段、用于功能码的字段、数据字段和CRC校验字段，其中，在该数据字段中指示用于起始寄存器的起始寄存器地址和寄存器数目，该起始寄存器地址和该寄存器数目限定从起始寄存器地址开始彼此直接连续的寄存器的寄存器区域，其特征在于：由地址字段中指示的设备地址所寻址的设备借助于设备标识被唯一地标识，该设备标识由请求传输，并且新的设备地址借助于经发送的请求被传输到该唯一标识的设备。

结合上述实施方式的特征，该目的通过以下来获得：借助于由请求传输的设备标识来唯一地标识由地址字段中指示的设备地址所寻址的设备，并且借助于所发送的请求将新的设备地址传输到该唯一标识的设备。

有利地，本发明的基本概念基于将仅标准的通信方式即标准化的主机从机通信用于总线上的唯一设备地址的分配，并且基于将诸如序列号(参见下文)的固有存在的设备标识用于唯一地标识设备。

因此，如果在调试阶段中连接到总线的两个或更多个设备具有相同设置的初始设备地址，则根据本发明，仅经由提供的标准化的主机从机通信分配新的唯一设备地址，而无需附加的硬件。

用于唯一标识的该设备的初始设备标识和新的设备地址借助于由主机发送的请求被传输到设备。

在这种情况下，可以多次分配在请求的地址字段中记录的初始设备地址，或者地址字段中记录的该地址也可以是Modbus RTU标准协议的广播地址，使得几个设备被同时寻址，但是由于借助于每个设备的原始设备标识的区分而解决了地址冲突。

在另一个有利的实施方式中，请求包括在用于功能码的字段中的用于写寄存器的Modbus RTU功能码0x10、在数据字段中的作为经限定的寄存器区域的寄存器内容的设备标识、在数据字段中的作为经限定的寄存器区域的附加的寄存器内容的新的设备地址，其中，如下设备接收设备地址作为新的设备地址，该设备的设备地址与地址字段中指示的设备地址相匹配并且该设备的设备标识与作为寄存器内容传输的设备标识相匹配，所述设备地址作为附加的寄存器内容被传输。

因此，新的设备地址的分配基于寻址该设备以便识别所述设备，从在请求中的用于写寄存器的指定的Modbus RTU功能码0x10开始，所述寻址通过唯一的设备标识被扩展。扩展寻址以如下方式实现：设备的设备标识和新的设备地址在请求的数据字段中被传输。

根据本发明，仅设备标识与在数据字段中传达的设备标识相同的设备才对请求作出反应，并且接收传输的设备地址作为新的设备地址。仅该设备接收所传达的新的设备地址作为其新设备地址，并且根据Modbus RTU规范对主机的请求进行应答。如果设备标识不相等，则被寻址的设备不会进行应答。

有利地，起始寄存器内容被定义为选择器，该选择器的选择器值设置所限定的寄存器区域的寄存器内容的功能和处理，其中，作为要在所标识的设备中执行的功能的新的设备地址的接收被分配给指定的选择器值。

因此，起始寄存器的内容阐明了选择器，该选择器的值对确定所限定的寄存器区域的寄存器内容具有哪些功能以及如何处理这些寄存器内容负责。在这种情况下，要被执行的每个功能都与指定的选择器值相对应。以这种方式，例如，如上阐述的新的设备地址的接收作为要在所标识的设备中执行的功能可以被分配给选择器值0x0000，使得在该值被传输时并且利用相应的寄存器内容，进行用于新的设备地址的接收的处理步骤的执行。

使在所标识的设备中执行附加的功能的其他选择器值(参见下文)也是可行的。

所限定的寄存器区域优选地包括具有选择器值的起始寄存器、用于设备标识的N个寄存器以及具有要被分配的新的设备地址的寄存器。

在数据字段中对寄存器区域的该特定分配对于可能的选择器值的数目以及对于根据Modbus RTU标准的固有存在的设备标识的范围和指定的设备地址的数目被证明是合适的。

如果设备标识是设备的序列号，则是有利的。

设备的序列号是用于初始设备标识以唯一地标识连接到Modbus的设备的适当选择，因为可以假设在生产过程期间每个设备都刻有这样的唯一的序列号。然而，原则上可以将分配给设备的任何唯一的标识用作设备标识。

在优选实施方式中，由地址字段中指示的设备地址所寻址的每个设备以随机延迟时间对主机用于读取设备标识的请求进行应答。

除了Modbus RTU功能码0x03(读取保持寄存器)以外，其他功能码出于该目的也可以被用作读取请求。

由地址字段中指示的设备地址所寻址的每个设备均在各个随机指定的延迟时间内进行应答以便避免应答的冲突。

有利地，以如下方式指定作为时隙持续时间的倍数的随机延迟时间：设备的应答不交叠地且与Modbus RTU相符地发生。

随机延迟时间包括多个例如20个时隙，每个时隙均具有时隙持续时间，所述时隙以如下方式被测量：对读取命令的应答可以在时隙持续时间内与Modbus RTU相符地无错误地发送。由于基于时隙的延迟时间，可以避免应答部分地交叠，这又增加了主机不间断地接收应答的可能性。

优选地，根据由设备标识所占用的N个寄存器来指定最小时隙持续时间。

在这种情况下，以设备应答以如下的方式适合于时隙的方式选择时隙的持续时间：另外的设备在紧随其后的时隙中的应答不会导致违反在Modbus RTU协议中指定的3.5个字节传输时间的空闲时间(Modbus RTU请求的间隔)。

在本发明中，在关于设备标识的查询的情况下，该设备标识例如被分配给在所限定的寄存器区域内的所限定的N＝2个寄存器，在考虑5个偏移字节的情况下，响应长度是2*N+5＝9个字节。因此，可以将3.5+9+3.5＝16个字节传输时间的持续时间设置为该时隙的最小持续时间。因此，对于仅分配给一个寄存器(N＝1)的设备标识，结果是产生了14个字节传输时间的时隙的最小持续时间。

例如，出于该目的还可以将设备标识传输为ASCII字符集并使用N＝10个寄存器。

如果在没有CRC错误的情况下接收到对用于读取设备标识的请求的应答，则根据上述实施方式有利地分配设备地址。

如果主机接收到对其用于读取设备标识的请求的无错误应答，则它知道了参与设备的唯一的设备标识。根据本发明，主机向所述参与设备分配新的总线地址。

有利地，以循环重复的方式执行发送用于读取设备标识和分配设备地址的请求，直到在设备的应答中不再出现CRC错误为止。

根据本发明发送用于读取设备标识和设置新的设备地址的请求被循环重复，直到在各个设备的应答中不再接收到CRC错误为止，所述读取设备标识包括从设备到主机的设备标识的传输。可以以该方式实现对所有连接到Modbus的设备的无冲突分配。

有利地，提供附加的选择器值，该附加的选择器值作为要被执行的功能引起在借助于设备标识而标识的设备上的信号显示。

可以引入许多不同的选择器值，每个选择器值都会引起指定的功能或动作在被寻址的设备上执行。因此，优选地还可以在被寻址的设备上执行信号显示作为要被执行的功能，其中，例如可以借助于光学或声学信令来检测该标识设备。用于标识远程布置的设备的这样的信令可以是特别有用的。

可以从下面的描述和附图中得到其他有利的实施方式，这些描述和附图示出了本发明的优选的示例性实施方式。

附图说明

在附图中：

图1是用于根据Modbus RTU标准协议的主机从机通信的流程图，

图2是根据本发明的用于解决地址冲突的请求的结构和内容，

图3是根据本发明的用于解决地址冲突的流程图，

图4是用于读取设备标识的请求的结构和内容，以及

图5是用于读取设备标识的流程图，该应答具有随机延迟时间。

具体实施方式

图1示出了用于根据Modbus RTU标准协议的主机从机通信的流程图。Modbus RTU标准协议基于总线结构，在该Modbus RTU标准协议中主机与连接到总线的设备(从机)之间的所有通信均由主机控制。主机将请求2发送到特定的设备地址，其中，仅具有该设备地址的设备才将应答4发送回主机。在这种情况下，被发送到所有连接的设备而没有期望应答的广播请求6被视为例外。如果设备地址被多次分配，则多个设备同时应答并且主机会检测到传输错误(CRC错误)。

图2示出了根据Modbus RTU规范的请求的结构，该请求具有根据本发明的用于解决地址冲突的数据分配。

除了要被寻址的设备的设备地址(从机地址)以外，该请求还包括功能码0x10(写多个寄存器)，该功能码0x10引起对被寻址设备中的多个寄存器的书写。数据字段包括起始寄存器的信息、数据字段所包括的寄存器或字节的数目以及在数据字段中传输的寄存器的内容。用于CRC错误检测的两个字节构成请求的结尾。

示例性地显示了请求的结构和内容，所述请求具有以下的内容：

寄存器分配：

寄存器5000 选择器值

寄存器5001/5002 序列号

寄存器5003 新的设备地址

这得到如下的Modbus RTU请求：

所有具有地址100(0x64)的设备均对该请求作出反应，但是仅具有设备标识(序列号)0x12345678的设备才将其设备地址改为新的设备地址80(0x50)。

图3以流程图示出了根据本发明的用于解决地址冲突的相应流程。

图4示出了用于读取设备标识的请求的结构和内容。

在这种情况下，根据功能码为0x03的Modbus RTU规范发生读取设备标识。在这种情况下，请求和设备的应答被构造如下：

寄存器分配：寄存器5001、5002序列号0x12345678

Modbus RTU主机请求：

Modbus RTU从机响应：

设备(从机)确定随机时隙0……19，例如10

设备等待10×15ms＝150ms并且然后发送：

图5示出了用于读取设备标识的流程图，该应答具有随机延迟时间。

示出了具有相同设备地址但不同设备标识的两个设备如何对主机用于读取设备标识的请求进行应答。最初可以看出，两个设备都对主机的请求进行应答，因为它们具有相同的寻址设备地址，然而，它们在不同的时隙中进行应答。为了要被发送的应答没有交叠且为了没有错误消息出现，每个设备都计算用于发送各自的应答的自己的随机延迟时间。

因此，可以由于借助于唯一的设备标识对设备的进一步区分而多次重复执行用于分配设备地址的方法，从而使所有设备作为总线用户接收唯一的设备地址。

尽管所连接设备的相同设备地址和最初未知的设备标识，然而可以检测到用于每个设备的该唯一标识，并且随后可以通过寻址新的设备地址来解决地址冲突。

根据本发明的方法仅基于标准化设置的总线通信，并且避免使用任何附加的辅助设备例如用于地址设置的硬件(DIP开关、RFID、NFC等)或附加的信令线缆，并且因此特别适于与以无法接近的方式安装的设备例如传感器进行通信。

Claims (11)

1.一种用于使用Modbus RTU标准协议进行主机从机通信的方法，所述方法用于解决基于相同设置的设备地址的地址冲突并且用于标识连接到Modbus的具有设备标识的设备，所述方法包括以下步骤：

从所述主机发送请求，所述请求包括用于所述设备地址的地址字段、用于功能码的字段、数据字段和CRC校验字段，

其中，在所述数据字段中指示用于起始寄存器的起始寄存器地址和寄存器数目，所述起始寄存器地址和所述寄存器数目限定从所述起始寄存器地址开始彼此直接连续的寄存器的寄存器区域，

其特征在于：

由所述地址字段中指示的所述设备地址所寻址的所述设备借助于所述设备标识被唯一地标识，所述设备标识由所述请求传输，并且

新的设备地址借助于经发送的请求被传输到所述唯一标识的设备。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于：

所述请求包括作为功能码的用于写寄存器的Modbus RTU功能码0x10，

所述请求包括在所述数据字段中的作为所限定的寄存器区域的寄存器内容的所述设备标识，

所述请求包括在所述数据字段中的作为所限定的寄存器区域的附加的寄存器内容的所述新的设备地址，以及

设备地址与所述地址字段中指示的设备地址相匹配且设备标识与作为寄存器内容传输的设备标识相匹配的所述设备接收所述设备地址作为新的设备地址，所述设备地址作为附加的寄存器内容进行传输。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于：

起始寄存器内容被定义为选择器，所述选择器的选择器值设置所述限定的寄存器区域的寄存器内容的功能和处理，其中，作为要在所标识的设备中执行的功能的所述新的设备地址的接收被分配给指定的选择器值。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于：

所述限定的寄存器区域包括具有所述选择器值的所述起始寄存器、用于所述设备标识的N个寄存器和具有要被分配的所述新的设备地址的寄存器。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，

其特征在于：

所述设备标识是序列号。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，

其特征在于：

由所述地址字段中指示的所述设备地址所寻址的每个设备以随机延迟时间对所述主机用于读取所述设备标识的请求进行应答。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于：

作为时隙持续时间的倍数的所述随机延迟时间以如下方式被指定：所述设备的所述应答不交叠地且与Modbus RTU相符地发生。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于：

根据由所述设备标识占用的所述N个寄存器来指定最小时隙持续时间。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的方法，

其特征在于：

如果在没有CRC错误的情况下接收到对用于读取所述设备标识的所述请求的所述应答，则根据权利要求1至5分配所述设备地址。

10.根据权利要求6至9中的任一项所述的方法，

其特征在于：

以循环重复的方式执行发送用于读取所述设备标识和分配设备地址的所述请求，直到在所述设备的所述应答中不再出现CRC错误为止。

11.根据权利要求3至10中的任一项所述的方法，

其特征在于：

提供附加的选择器值，所述附加的选择器值作为要被执行的功能引起在借助于所述设备标识而标识的所述设备上的信号显示。

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