一种高效快速的MODBUS串行总线数据轮询协议

  • 背景

    串行总线（RS485）由于其非平衡传输特性的限制，广泛应用主从MODBUS RTU（ASCII）协议。

  • 主从协议严格遵循请求应答机制，尤其在主机向总线中各从机查询数据时，

  • 需要逐个设备节点、逐片寄存器发起请求。

  • 实际应用中称之为MODBUS总线数据轮询，在多设备多数据场景下，无法保证数据实时性。

 
 

  • 问题分析

    产生的数据更新延时主要源于两方面原因：交互次数多和冗余的上报数据。

交互次数与从机个数、MODBUS数据定义个数正相关，
同时存在由于MODBUS数据地址不连续，需要增加交互次数的情形。
遍历轮询方式触发从机上报所有请求中包含的数据，
必然导致从机响应报文中携带长期未变化的数据，这类数据即为冗余上报数据。
 

  • 前置需求

问题要解决，但解决方案也要有边界。
  1. 支持半双工（RS485）通信方式；
  2. 不脱离MODBUS协议规范，包括报文格式、主从应答流程、设备地址、CRC、最大帧长限制等；
  3. 不改变且复用已有协议数据（寄存器）定义方式；
 

  • 设计方案

    总体流程

 

  • 报文格式

相关流程统一采用自定义报文格式（请求、应答），遵循如下定义：

字段

长度

备注

设备地址

1 Byte

  

功能码

1 Byte

0X65 （自定义区间）

PDU

子功能码

1 Byte

  

数据长度

2 Bytes

N

数据域

 N Bytes

  

CRC

2 Bytes

  
MODBUS-RTU模式下，单帧最大长度256Bytes。
MODBUS-TCP模式下，单帧最大长度根据MTU规格制定，建议1300Bytes。
PDU中各字段采用大端字节序传输。
       异常响应报文与MODBUS协议定义一致：

字段

长度

备注

设备地址

1 Byte

  

功能码

1 Byte

0XE5

预留

2 Byte

0

CRC

2 Bytes

  
 
 

  • 订阅

    从机提供一套默认增量上传的寄存器列表，如果未收到注册请求，

  • 在默认寄存器列表范围内进行上报。

  • 从机收到注册请求后，本地持久化存储订阅的寄存器信息；

  • 主机识别设备通讯重新建链、主机启动后，重新发送订阅信息；

  • 订阅流程作为版本兼容性要求的预设流程，主机可暂不支持；

  • 寄存器单元的划分：订阅目标数据的地址连续优先放在同一个单元，

  • 地址前后独立的数据单独一个单元。

  • 订阅请求支持广播方式。

  • 请求PDU：

字段

长度

备注

子功能码

1 Byte

0X01

数据长度

2 Bytes

N

上报周期

2 Bytes

单位秒；

0：单播请求，主机请求触发增量上传；

> 0：从机主动按周期增量上传，适用于MODBUS-TCP场景；

订阅类型

2 Bytes

0：全量订阅，从机将订阅信息替换已有的寄存器列表；

1：增量订阅1，基于订阅列表增量；

2：增量订阅2，基于默认寄存器列表增量；

预留

2 Bytes

  

寄存器单元个数

2 Bytes

≤ 80

0：注销所有订阅信息；

单元1

寄存器地址

2 Bytes

  

寄存器个数

1 Byte

  

单元…

寄存器地址

2 Bytes

  

寄存器个数

1 Byte

  
响应PDU：

字段

长度

备注

子功能码

1 Byte

0X01

数据长度

2 Bytes

2

订阅注册结果

2 Bytes

0：成功；

1：失败；
 

  • 总召

从机收到总召请求后，被订阅数据要求全部置为变化态，
总召响应立即给出数据回复，所以总召响应PDU与增量上传的响应PDU一致；
从机接收总召后，帧序号检测重置，以总召中设定的序号开始检测跳包、重发问题。
主机发起总召的场景：

  1. 主机系统初始化；

  2. 设备断链过程中；

  3. 增量请求返回异常；

  4. 设备升级结束；

  5. 周期60分钟；

 
请求PDU：

字段

长度

备注

子功能码

1 Byte

0X02

数据长度

2 Bytes

4

帧序号

2 Bytes

0

总召类型

2 Bytes

0：全部总召

1：（预留）

2：（预留）
 

  •  增量上传

    从机本地识别前后两次增量上传请求之间数据的是否发生变化，

  • 就近一次增量上传所填充的内容仅为变化寄存器。

  • 从机识别请求帧序号是否出现跳变、重发；跳变后回复异常（0XE5），重发则回复上一帧数据；

  • 帧序号由0XFFFF翻转为0时，视为正常递增；

  • 从机保证关键数据、逻辑相关联数据优先上报，放在第一帧内回复；

  • 寄存器单元拼接时，间隔寄存器个数为1，作为同一个单元上报，间隔寄存器上报当前值或无效值。

  • 间隔寄存器个数超过1，则另起新的寄存器单元。

  • 从机重启后，可能直接收到增量上传请求，此时根据本地存储的订阅信息，全量上报一次。

  • 主机运行过程中，总线上通过单播方式，连续向各从机发起增量上传请求，

  • 单个从机回复有其它变化数据时，主机连续向该从机发起请求，

  • 直至变化数据请求完毕，连续请求最大次数10。

  • 主机对每个从机单独维护帧序号，确保帧序号逐1递增。

  • 从机连续3次超时后，主机以总召请求维持链接请求。

请求PDU：

字段

长度

备注

子功能码

1 Byte

0X03

数据长度

2 Bytes

2

请求帧序号

2 Bytes

延续总召序号，逐1递增；
响应PDU：

字段

长度

备注

子功能码

1 Byte

0X03

数据长度

2 Bytes

N

回复帧序号

2 Bytes

回填请求帧序号

预留

2 Bytes

  

寄存器单元个数

2 Bytes

最高位置1代表，还有其它变化数据。

无变化数据时，单元个数为0，无其它字节数据。

单元1

寄存器地址

2 Bytes

  

寄存器个数

1 Byte

  

数据

N Bytes

  

单元…

寄存器地址

2 Bytes

  

寄存器个数

1 Byte

  

数据

N Bytes

  
 

  • 幅值控制

    幅值控制策略仅面向采样测点数据，状态量、参数、特征信息不做控制，有变化即上报。

  • 幅值控制主要是解决由于采样误差导致的无用数值波动。如下情况不受幅值控制影响：

  1. 数据归0

  2. 数据从0跳变为非0

  3. 正负翻转

 

  • 效果确认

    经过实际测试，采用这种增量数据上报方式实现的MODBUS总线轮询方案，数据更新延时明显降低：

  • 方案 总线规格 延时
    传统轮询方案

    30台从机

    100个输入寄存器

    总线波特率9600bps

    		 > 9秒
    增量上报轮询方案 < 3秒

     

 
posted @ 2020-05-31 18:15  摩尔信使MThings  阅读(39)  评论(0)    收藏  举报  来源