Modbus产品通信测试方法优化

1.Modbus通信简介

Modbus通信协议于1978年由美国可编程序控制器供应商Medicon公司（现属于施耐德）提出并倡议。从1979年开始，Modbus串行链路通信就成为了工业通信的事实标准。现今对简单而明确的Modbus结构的支持仍在增长，不仅非常多的产品都支持Modbus串行链路通信，并且互联网用户也能够使用TCP/IP栈上的保留系统端口502访问Modbus。Modbus是一种真正的开放协议，在工业控制、智能电网用户端等领域被广泛的应用。

（1）Modbus通信实现方式。Modbus通信的网络体系结构如图7-28所示，实现方式包括以下三种：

1）串行链路通信。各种介质（有线：EIA/TIA-232、EIA-422、EIA/TIA-485；光纤、无线等等）上的异步串行传输。

2）TCP/IP通信。以太网上的TCP/IP通信。

3）ModbusPLUS。一种高速令牌传递网络。

图7-28 Modbus通信网络体系结构

（2）Modbus传输模式。Modbus网络通信传输有两种模式：RTU（Remote Terminal Unit）模式和ASCⅡ模式，默认模式为RTU模式。用户可以选择需要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在同一个Modbus网络上通信的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。

一般推荐用户使用两种实现等级：基本等级和常规等级，不同的实现等级寻址、广播、传输模式、波特率、字符格式、电气接口参数等不尽相同，见表7-8。其中，常规等级必须提供可配置的功能。

表7-8 两种实现等级的要求

（3）功能码。Modbus有三类功能码：公共功能码、用户定义的功能码和保留功能码。

1）公共功能码的特征：①被确切定义的功能码；②保证是唯一的；③由Modbus.org确认的；④公开的文档；⑤可进行一致性测试；⑥在MBLETFRFC中归档；⑦包含已定义的公共功能码和保留给未来使用的功能码。公共功能代码表见表7-9。

2）用户定义的功能码。有两个用户定义功能码的区域；用户无需Modbus组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码；不能保证被选为功能码的使用是唯一的；如果用户希望将某种功能设置的一个公共功能码，那么用户必须启动RFC，以便将改变引入公共分类中，并且指配一个新的公共功能码。

3）保留功能码。某些公司在传统产品上现行使用的功能码，不作为公共使用。

表7-9 公共功能代码表

Modbus协议的数据访问等级包括以下三种：基本访问、普通访问、扩展访问，被测设备必须至少满足基本访问等级。

a）基本访问：支持Modbus协议的设备必须支持一个或两个Modbus功能代码访问数据：①FC03读保存寄存器；②FC16写多个寄存器。

b）普通访问：除支持基本访问外，对于需要离散数据的场合和其他应用需要，还应该支持下列功能码：①FC01读线圈；②FC02读离散量输入；③FC15写多个线圈；④FC08诊断。

c）扩展访问：除支持普通访问外，为了更方便地使用，还可以实现下列功能码①FC23读/写多个寄存器；②FC06写单个寄存器；③FC04读输入寄存器；FC05写单个线圈。

Modbus设备还可以提供设备管理功能（该功能非强制功能），通过Modbus命令得到设备标志信息。设备等级见表7-10。

表7-10 设备管理等级定义

如果使用Modbus协议的设备提供设备管理功能，必须支持基本管理功能，并实现Modbus功能代码43/14的初级访问能力，推荐设备支持普通管理功能，可以选择支持扩展管理功能。

2.Modbus串行链路通信测试

（1）协议一致性测试。 Modbus协议的一致性测试系统包括：主站和被测设备（从站）及连接部件，如图7-29所示。主站为PC（机），测试工具包括但不限于执行测试必备的软件、示波器、信号发生器及相应的辅助测试模板，来完成对被测设备的协议的一致性测试。

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图7-29 一致性测试系统示意图

Modbus串行链路的一致性测试包括物理层测试、数据链路层测试和功能码一致性测试。在进行该测试之前，被测设备应当完成功能测试和相应的EMC测试。

1）物理层测试。主要对RS-485通信接口的终端电阻、上拉电阻、下拉电阻和机械接口进行测试，具体测试方法和判断依据参照GB/T 19582.2—2008标准。

2）数据链路层测试。主要是对Modbus寻址规则、RTU帧间间隔、RTU帧内间隔、RTU模式的CRC校验、ASCII模式的LRC校验进行测试，具体测试方法和判断依据参照GB/T 19582.2—2008标准。

3）应用层测试。应用层测试主要是对Modbus的公共功能代码进行测试，主站向从站发送命令，从站应答。测试的功能码包括：读线圈（功能码01）、读离散量输入（功能码02）、读保持寄存器（功能码03）、读输入寄存器（功能码04）、写单个线圈（功能码05）、写单个寄存器（功能码06）、读异常状态（功能码07）、诊断功能检验（功能码08）、获得通信事件计数器（功能码11）等。

若被测设备能连续正确运行，且符合以下的要求，则测试通过：①对于支持的功能码且数据范围合理、长度正确、寻址正确，给出正常响应；②对于支持的功能码而数据范围不合理、或长度不正确、或寻址不正确，给出相应的异常码响应；③不支持的功能码给出不支持该功能的异常码响应；④对于广播报文应该没有任何响应。对于正常的写广播，子设备要有相应的数据变化。

（2）互操作测试。Modbus互操作测试系统如图7-30所示，在该网络中正确配置被测设备并保证它可以进行操作时，Modbus标准设备也将进行网络上报文的收发。在所有的网络节点上程序将会自动同步运行协议测试。系统中接入的Modbus标准设备的类型和数量可由测试人员根据被测设备的实际应用场合自行搭建。

图7-30 互操作性测试系统

按照实现等级、数据访问等级的要求，使用互操作系统，连续运行不少于60min的互操作实验，如果运行期间无异常，则判定为通过。

（3）性能测试。性能测试的内容包括数据传输率、连接时间、执行速度、吞吐量、并发度等。具体测试方法和判断依据参照通信指标的常规测试方法。

（4）鲁棒测试。鲁棒测试是测试协议实体在各种恶劣环境下运行的能力（如信道被切断、通信技术掉电、注入干扰报文等）。测试项目包括：①将试品通信线拔掉再插上，观测试品是否能正常通信；系统中的其他Modbus产品是否能正常通信。②将系统中除试品外的Modbus产品通信线拔掉，观测试品是否能正常通信；再插上通信先观测试品是否能正常通信。③将试品电源断开、闭合后，观测试品是否能正常通信。④干扰报文注入，是否影响试品正常通信。

3.低压电器的modbus通信测试

通信作为一种共性技术，应用到具体产品中，可以实现不同的功能。Modbus是在低压电器领域中使用最多的一种通信协议，用来实现低压电器产品的四遥功能（遥控、摇测、遥讯、遥调）。常规的Modbus通信一致性测试只针对标准中规定的公共功能代码进行一致性和互操作性的测试，但是低压电器的Modbus通信主要是使用用户自定义代码来实现的，因此区别于常规的Modbus通信测试，低压电器的Modbus通信还需要增加用户自定义码的测试。

Modbus自定义的功能码主要用来实现以下的功能和数据的传输：

1）低压电器检测参数项，如电流、电压、功率、功率因数、频率、不平衡度、热容比、故障脱扣时间、寿命指示、操作次数等。

2）通信设置参数项，涉及通信地址、通信波特率等。

3）系统时间设置参数项，涉及年、月、日、时、分、秒系统时间。

4）设备描述参数项，涉及壳架/壳架电流、额定电流/电压、制造时间、设备描述信息、制造商ID等。

5）故障记录参数项，涉及跳闸时间、跳闸报警原因等。

6）谐波检测参数项，涉及基波电流/电压、电流/电压总谐波畸变、电流/电压的谐波含有率、基波功率等。

7）波形记录参数项，涉及当前电流/电压的波形等。

8）保护功能参数项，涉及基本保护功能整定、附加保护功能整定、扩展功能整定等。

9）制造商自定义保护功能参数项，涉及制造商自定义特有的保护功能参数项、自诊断功能参数项、互感器校正参数项等。

10）控制功能参数项，涉及基本控制功能整定、附加控制功能整定、扩展功能整定等。

11）制造商自定义控制功能参数项，涉及制造商自定义特有的控制器功能参数项、可编程输入/输出参数项等。

12）保留参数项，作为低压电器通用数据通信参数项的拓展。

Modbus通信的一致性和互操作性是实现配电系统与控制系统智能化和网络化的基础。上海电器设备检测所的“国家智能电网用户端产品（系统）质量监督检验中心”即将建成Modbus通信测试中心，计划联合政府相关部门推出低压电器通信测试的自愿认证和测试服务，从而加强整个行业对于通信测试的关注度和技术水平。