UDP / IP协议下Modbus协议的研究与实现

     摘要: 工业以太网中M odbus /TCP已经成为以太网通信行业事实上的标准。本文对该通信标准进行深入的研究并进行改进,提出在UDP/ IP协议上实施M odbus协议，随后从实时性和可靠性两个方面分析了M odbus /UDP协议栈的优点，然后结合实验室开发的一个测控终端组建测试系统对该协议栈进行实验检验。理论和实际表明: M odbus/UDP协议可操作性好容易实现、实时性和可靠性高，组网方便灵活。

　　随着以太网技术以及Internet的迅速发展，基于TCP / IP协议的工业以太网的研究已经成为现场总线研究的亮点，特别是Modbus /TCP协议以其协议简单、开放、易于理解和稳定的性能成为以太网工业通信事实上的标准。目前，国内外众多厂商的PLC、测控终端、组态软件等产品都使用Modbus/RTU 和Modbus/TCP协议，但是伴随着工业以太网技术向纵深发展以及关键问题的突破，越来越多的工控厂家采用UDP作为传输层协议，以满足实时性和确定性通信的需求，如: 西门子的ProF ibnet、倍加莱的Pow erlink、Modbus- IDA等，都在工业以太网实时通信中采用了UDP协议。本文介绍一种新的通信协议Modbus /UDP，传输层采用UDP协议，与Modbus /TCP相比进一步提高了系统的实时性和组网的灵活性。

　　1  Modbus /UDP协议

　　1.1  Modbus协议介绍

　　M odbus协议采用请求/应答的方式进行客户端和服务器的应用层通信，协议规定了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元PDU，PDU 帧结构包括功能码、数据域和差错校验域; 特定的现场总线在PDU 的基础上引入一些头部信息构成应用数据单元ADU。图1所示为一个通用的Modbus帧。

　　首先对于不同物理介质上实现的Modbus协议，其PDU 单元是统一的，而附加地址域及差错校验域需根据不同总线或网络的特定要求和格式组织实施。其次Modbus定义了三类功能码: 公共功能码、用户定义的功能码和保留功能码。

图1  M odbus帧结构

　　1.2  UDP上Modbus协议介绍

　　与M odbus/TCP协议类似，M odbus/UDP是在TCP / IP协议的基础上应用层使用Modbus数据，传输层采用UDP协议，网络层采用IP协议。UDP / IP协议上的Modbus应用数据单元MBAP采用与TCP / IP同样的结构，包括2字节的事务处理标识符、2字节的协议标识符、2字节的长度字节和1字节的单元标识符。UDP协议是面向非连接的，通信时不需要与对方建立连接，适用于可靠性要求不是非常高的场合，实时性高，通信效果好。采用UDP来发送Modbus消息帧，正是为了利用UDP协议简洁和高效的通信效果。实际应用中把封装好的Modbus消息帧作为UDP的数据部分直接发送到服务器的502端口，服务器端解析收到的Modbus/UDP数据报，将M odbus响应帧回转给请求数据的客户端。

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