CN114422288B - 基于Modbus协议的通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Modbus协议的通讯系统，其包括一台主机、多台从机以及总线处理模块，总线处理模块包括一个主机接口和多个从机接口，主机接口连接主机，以使得总线处理模块与主机完成报文交互，多个从机接口分别连接多台从机，以使得总线处理模块与多台从机完成报文交互。借此，可有效改善通信效率低下的问题，能够及时得到更新后的数据。

Description

基于Modbus协议的通讯系统

技术领域

本发明涉及Modbus协议技术领域，特别涉及一种基于Modbus协议的通讯系统。

背景技术

Modbus协议是一种串行通信协议，Modbus协议已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且是现在工业电子设备之间常用的连接方式。

Modbus一帧报文包含：地址域、功能码、数据和差错校验。其中，地址域，即地址字段，内容为从机地址。标准Modbus规范0为广播地址，1～247从机地址设定范围，248～255为保留地址范围。

如图1所示，主机是通过总线连接于多台从机，作为从机的每台设备都需要设置一个唯一的地址，主机通过从机地址来区分每台从机。以查询数据为例，主机需要根据从机地址，轮询每台从机，工作流程如下所述：

(1)主机向从机1发送请求报文，然后等待从机1响应；

(2)若主机接收到从机1的响应报文，则判断请求成功；若超过设定时间，主机仍未收到从机1的响应报文，则判断请求失败；不论请求成功或请求失败，主机都会结束从机1的本次请求；

(3)从机1请求结束后，主机再向从机2发送请求报文,然后等待从机2响应；

(4)与工作流程(2)的判断方式一致，主机结束从机2的本次请求；

(5)按照上述(1)～(4)的规律，直至主机结束从机N的本次请求，才再次从从机1开始新的轮询。

由此可见，标准Modbus的轮询方式，效率不高，会导致数据更新不够及时，通信效率低下。此外，现有Modbus协议的从机地址设定方案，会导致设备生产或使用过程，每次要使用、更换从机设备，都需要重新确认并设置从机地址，通信效率低下。

举例说明，以自动栏杆机为例，将Modbus协议应用于自动栏杆机上，可以实现自动栏杆机的智能化，但现有的Modbus通信网络中，一台主机同时连接多台从机，主机直接与多台从机进行数据传输连接，每个从机需要预设一个地址，主机通过从机地址区分识别不同的从机。基于Modbus协议，每台自动栏杆机出厂之前，需要对自动栏杆机预设地址，即预设从机地址；在实际现场使用过程中，每次使用更换作为从机设备的自动栏杆机时，均需要确认及设置从机地址；且当查询作为从机的自动栏杆机数据时，主机需要根据从机地址，轮询每台从机实现数据交互，不仅效率不高且会导致数据更新不及时。

发明内容

本发明提供一种基于Modbus协议的通讯系统，其包括一台主机、多台从机以及总线处理模块。

总线处理模块包括一个主机接口和多个从机接口。主机接口连接主机，以使得总线处理模块与主机完成报文交互。多个从机接口分别连接多台从机，以使得总线处理模块与多台从机完成报文交互。

在一实施例中，主机接口是通过Modbus总线连接主机。

在一实施例中，各所述从机仅连接一个所述从机接口，且各所述从机接口的接口地址互不相同。

在一实施例中，各所述从机接口具有固定的接口地址。

在一实施例中，当所述总线处理模块为兼容工作模式时，所述通讯系统的通讯步骤如下：S101：所述主机通过所述主机接口向所述总线处理模块连续发送多条请求报文；S102：所述总线处理模块根据接收到的请求报文的地址域，分别通过所述多个从机接口同时向所述多台从机发送所述请求报文；S103：所述总线处理模块从所述从机接口接收到来自所述从机的响应报文，并依据接收到的响应报文的顺序将响应报文发送至所述主机。

在一实施例中，在所述步骤S103中，当所述总线处理模块接收到同时的响应报文时，所述总线处理模块依据所述主机发送的请求报文的先后顺序将响应报文发送给主机。

在一实施例中，当所述总线处理模块为实时工作模式时，所述通讯系统的通讯步骤如下：S201：总线处理模块实时向每台从机发送请求报文，来查询各从机上的寄存器的值，并记录各个寄存器的值；S202：总线处理模块比对当前查询到的寄存器值和记录的寄存器的值，若是当前查询到的寄存器的值和记录的寄存器的值不匹配时，总线处理模块将发送响应报文给主机；S203：主机接收到响应报文后，会发送请求报文给总线处理模块；S204：总线处理模块接收到主机发送的请求报文后，会停止发送本次响应报文。

在一实施例中，在所述步骤S204中，当总线处理模块在预定时间内未接收到主机发送的请求报文时，总线处理模块会重新发送本次响应报文给主机。

在一实施例中，所述总线处理模块是通过各从机接口持续向从机发送请求报文，若从机无法正常响应时，总线处理模块会生成并记录对应于无法正常响应的从机的故障信息。

在一实施例中，所述从机包括标准功能从机和扩展功能从机，所述总线处理模块可自动识别所述从机的类型以及接口地址。

本发明的一个优势在于提供一种基于Modbus协议的通讯系统，通过引入总线处理模块对标准Modbus协议进行扩展，来改变标准Modbus的主机和从机的连接方式，进而改变主机查询从机数据的方式，可有效提高主机的数据查询效率，提升通信效率。

本发明的另一个优势在于提供一种基于Modbus协议的通讯系统，通过兼容工作模式和实时工作模式的设置，来提高主机查询从机数据的效率。整体来说：在兼容工作模式下，主机通过连续发送请求报文给总线处理模块以同时访问所有从机，总线处理模块可连续响应主机，缩短主机查询的时间，无需等待反馈时间，以实现传输效率的提升；在实时工作模式下，主机无需主动发送请求报文，而是通过总线处理模块检测到某从机的寄存器数值改变时，会主动向主机发送响应报文，主机再发送请求报文给总线处理模块，让总线处理模块停止发送响应报文，此种方式下的总线占用率低，并且能够保证数据实时更新。

本发明的另一个优势在于提供一种基于Modbus协议的通讯系统，其能够判定从机是否能正常响应。对于不能正常响应的从机，能够生成故障信息。当主机轮询到该从机时，总线处理模块能够立即给主机发送故障响应报文。主机无需通过等待响应延时，来判断从机是否正常响应。以此提高通信效率。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1是标准Modbus总线上的主机和从机的连接示意图；

图2是本发明通讯系统的结构示意图；

图3是总线处理模块处于兼容工作模式下的通讯流程示意图；

图4是标准Modbus总线与本发明Modbus总线的通行效率时序图；

图5是总线处理模块处于实时工作模式下的通讯流程示意图；

图6是总线处理模块自动识别从机的流程示意图。

附图标记：

10-通讯系统；12-主机；14-从机；16-总线处理模块；162-主机接口；164-从机接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通等。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图2，图2是本发明通讯系统10的结构示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种基于Modbus协议的通讯系统10。如图中所示，该通讯系统10包括一台主机12、多台从机14以及总线处理模块16。

总线处理模块16包括一个主机接口162和多个从机接口164。主机接口162连接主机12，以使得总线处理模块16与主机12完成报文交互。主机接口162是通过Modbus总线连接主机12。多个从机接口164分别连接多台从机14，以使得总线处理模块16与多台从机14完成报文交互。

相较于标准Modbus总线上主机12和从机14的连接方式(图1)，主机12通过从机14地址来区分从机14而言，本专利通过引入总线处理模块16，转变成使用从机接口164的接口地址来区分从机14，实现使用、更换新的从机14时，无需人为设置，实现地址自适应。例如：从机a连接从机接口a，从机接口a地址为x，则主机12通过主机接口162发送的地址域值为x的报文，都会通过从机接口a发给从机a。换言之，只要从机14是连接到从机接口a，无论从机14本身的地址域值是什么，地址域值为x的报文都会通过接口地址为x的从机接口a发送至对应从机14。优选的，总线处理模块16是通过各从机接口164持续向从机14发送请求报文。若有从机14无法正常响应时，总线处理模块16会生成并记录对应于此无法正常响应的从机14的故障信息。如此一来，在主机12轮询到无法正常响应的从机14时，总线处理模块16根据记录的故障信息，可立即向主机12发送故障报文。主机12无需通过等待超时，来判定从机14是否响应失败，以此提高传输效率。

各所述从机14仅连接一个从机接口164，如图所示的从机a、从机b、……从机n是与从机接口a、从机接口b、……从机接口n一一对应连接。并且，各从机接口164的接口地址互不相同。较佳的，各从机接口164的接口地址是固定唯一的，便于总线处理模块16通过从机接口164与从机14完成报文收发。

在一实施例中，总线处理模块16设置有2种工作模式，分别为兼容工作模式和实时工作模式。

如图3和图4所示，当总线处理模块16为兼容工作模式时，主机12通过向总线处理模块16连续发送多条请求报文，来提升总线传输效率。具体来看，通讯系统10的通讯步骤如下：

S101：主机通过主机接口向总线处理模块连续发送多条请求报文；

S102：总线处理模块根据接收到的请求报文的地址域值，分别通过多个从机接口同时向多台从机发送请求报文；

S103：总线处理模块从从机接口接收到来自从机的响应报文，并依据接收到的响应报文的顺序将响应报文发送至主机。

进一步说明，在步骤S103中，当总线处理模块16接收到同时的响应报文时，总线处理模块16依据主机12发送的请求报文的先后顺序将响应报文发送给主机12。如图4所示，相较于标准Modbus协议的主从轮询方式，本专利的总线处理模块16为兼容工作模式时的总线通行效率更高。图4中上方的标准功能主机12和从机14对应于标准Modbus协议的主机12和从机14，下方的扩展功能主机12和从机14对应于本实施例的主机12和从机14。可明显看出，采用本实施例的主机12和从机14的通讯方式，让总线处理模块16统筹协调所有从机14，可大幅缩短通信时间。例如，当有从机14无法正常响应时，主机12可通过总线处理模块16的故障响应报文，来判断从机14无法正常响应。无需像标准Modbus协议通过等待响应超时，来判断从机14无法正常响应，以此提高传输效率。

如图5所示，当总线处理模块16为实时工作模式时，通讯系统10的通讯步骤如下：

S201：总线处理模块实时向每台从机发送请求报文，来查询各从机上的寄存器的值，并记录各个寄存器的值；

S202：总线处理模块比对当前查询到的寄存器值和记录的寄存器的值，若是当前查询到的寄存器的值和记录的寄存器的值不匹配时，总线处理模块将发送响应报文给主机；

S203：主机接收到响应报文后，会发送请求报文给总线处理模块；

S204：总线处理模块接收到主机发送的请求报文后，会停止发送本次响应报文。

进一步说明，在步骤S204中，当总线处理模块16在预定时间内未接收到主机12发送的请求报文时，总线处理模块16会重新发送本次响应报文给主机12。整体来说，总线处理模块16只在从机14数据更新的时候，才给主机12发送响应报文，主机12接收到报文后再发请求报文给总线处理模块16。相对于标准Modbus协议而言，具有以下优势：(1)实时性高。标准Modbus协议为主从轮询，所有数据更新的最大周期，等于轮询周期；然而，通过实时工作模式的方式，只要从机14数据发生变化，就能实时传输给主机12。(2)总线占用率低。标准Modbus协议为主从轮询，需要持续让总线保持在通信模式下；然而，在实时工作模式下，只要没有从机14的数据发生变化，则总线无需传输数据，持续保持为空闲模式。

如图6所示，从机14包括标准功能从机和扩展功能从机。所述标准功能从机是指具有标准Modbus协议的从机，其仅具有唯一固定的接收地址域，地址域范围1～247，能够接收地址域为1～247的请求报文。换言之，标准功能从机对于广播地址域为0，可以执行操作，但不响应数据，对于从机地址为1～247的，可执行操作和响应数据。所述扩展功能从机除了具有标准Modbus协议，还能正常接收地址域为248～255的请求报文，并按接收的地址域值，作为响应报文的地址域进行响应。也就是说，扩展功能从机在标准功能从机的基础上，增加了可正常执行和响应地址域248～255的报文。从机接口只需要发送地址域为248～255的报文给从机即可。从机接口接收到响应数据后，仍需要报报文的地址域改成从机接口地址，在响应给主机12。

总线处理模块16可自动识别从机14的类型及其接口地址，其识别流程如下：

1)识别该从机是否有设置从机类型。若该从机设置有从机类型，且从机类型为扩展功能从机，则判定该从机为扩展功能从机，结束自动识别；若该从机设置有从机类型，且从机类型不是扩展功能从机，则进入标准从机的接口地址的识别流程。

2)识别该从机是否有设置从机类型。若该从机没有设置从机类型，且向其发送地址域248～255的报文有响应，判定该从机为扩展功能从机，结束自动识别；若该从机没有设置从机类型，且向其发送地址域248～255的报文没有响应，则进入标准从机的接口地址的识别流程。

所述标准从机的接口地址的识别流程如下：依序向从机发送地址域1～247的报文，直至从机响应，判定从机为标准功能从机且确定从机地址域，结束自动识别。若是在发送地址域247的报文后，该从机仍为响应，则识别失败，结束自动识别，待后续排查故障。

整体来说，为了满足标准Modbus的从机自适应地址，从机接口164需要先识别出所接从机14的从机地址，以建立正常的通信连接。后续从机接口164和从机14通信，均以识别到的从机地址进行。但从机接口164和主机12之间的通信，仍以从机接口164的地址为主。即从机接口164需要把从机14的地址域的值转换后，再发给主机12。本实施例的扩展功能从机基于标准Modbus从机，增加了可正常执行和响应地址域248～255的报文。从机接口164只需要发送地址域为248～255的报文给从机14即可。从机接口164接收到响应数据后，将报文的地址域改成从机接口地址，再响应给主机12。如此一来，每次更换从机，都无需重新设置从机地址，主机就能和每台从机正常通信。

综上所述，本发明的一个优势在于提供一种基于Modbus协议的通讯系统10，通过引入总线处理模块16对标准Modbus协议进行扩展，来改变标准Modbus的主机和从机的连接方式，进而改变主机12查询从机14数据的方式，可有效提高主机12的数据查询效率，提升通信效率。

本发明的另一个优势在于提供一种基于Modbus协议的通讯系统10，通过兼容工作模式和实时工作模式的设置，来提高主机12查询从机14数据的效率。整体来说：在兼容工作模式下，主机12通过连续发送请求报文给总线处理模块16以同时访问所有从机14，总线处理模块16可连续响应主机12，缩短主机12查询的时间，无需等待反馈时间，以实现传输效率的提升；在实时工作模式下，主机12无需主动发送请求报文，而是通过总线处理模块16检测到某从机14的寄存器数值改变时，会主动向主机12发送响应报文，主机12再发送请求报文给总线处理模块16，让总线处理模块16停止发送响应报文，此种方式下的总线占用率低，并且能够保证数据实时更新。

本发明的另一个优势在于提供一种基于Modbus协议的通讯系统10，其能够判定从机14是否能正常响应。对于不能正常响应的从机14，能够生成故障信息。当主机12轮询到该从机14时，总线处理模块16能够立即给主机12发送故障响应报文。主机12无需通过等待响应延时，来判断从机14是否正常响应。以此提高通信效率。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于Modbus协议的通讯系统，其特征在于：所述通讯系统包括：

一台主机、多台从机以及总线处理模块；

所述总线处理模块包括一个主机接口和多个从机接口，所述主机接口连接所述主机，以使得所述总线处理模块与所述主机完成报文交互，所述多个从机接口分别连接所述多台从机，以使得所述总线处理模块与所述多台从机完成报文交互；

其中，各所述从机仅连接一个所述从机接口，且各所述从机接口的接口地址互不相同；

当所述总线处理模块为兼容工作模式时，所述通讯系统的通讯步骤如下：

S101：所述主机通过所述主机接口向所述总线处理模块连续发送多条请求报文；

S102：所述总线处理模块根据接收到的请求报文的地址域值，分别通过所述多个从机接口同时向所述多台从机发送所述请求报文；

S103：所述总线处理模块从所述从机接口接收到来自所述从机的响应报文，并依据接收到的响应报文的顺序将响应报文发送至所述主机；

当所述总线处理模块为实时工作模式时，所述通讯系统的通讯步骤如下：

S201：总线处理模块实时向每台从机发送请求报文，来查询各从机上的寄存器的值，并记录各个寄存器的值；

S202：总线处理模块比对当前查询到的寄存器值和记录的寄存器的值，若是当前查询到的寄存器的值和记录的寄存器的值不匹配时，总线处理模块将发送响应报文给主机；

S203：主机接收到响应报文后，会发送请求报文给总线处理模块；

S204：总线处理模块接收到主机发送的请求报文后，会停止发送本次响应报文。

2.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：各所述从机接口具有固定的接口地址。

3.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：所述主机接口通过Modbus总线连接所述主机。

4.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：在所述步骤S103中，当所述总线处理模块接收到同时的响应报文时，所述总线处理模块依据所述主机发送的请求报文的先后顺序将响应报文发送给主机。

5.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：在所述步骤S204中，当总线处理模块在预定时间内未接收到主机发送的请求报文时，总线处理模块会重新发送本次响应报文给主机。

6.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：所述总线处理模块是通过各从机接口持续向从机发送请求报文，若从机无法正常响应时，总线处理模块会生成并记录对应于无法正常响应的从机的故障信息。

7.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于：所述从机包括标准功能从机和扩展功能从机，所述总线处理模块可自动识别所述从机的类型以及接口地址。