MODBUS: A VERY SIMPLE PROTOCOL

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1 Used by SCADA 1980, Modicon Master-slave Peer-to-peer Query-Response cycle UART (RS232, RS485) 1 master, <248 slaves ASCII and RTU mode (no coexistence between modes) MODBUS: A VERY SIMPLE PROTOCOL modbus.org/docs/pi_mbus_300.pdf 1

2 ASCII mode 1 byte -> 2 char (0-9, A-F) Bits x byte: 1 start, 7 data, 1 parity or no-parity, 1 stop (2 if no parity) Error Check -> LRC (Longitudinal Redundancy Check, MSchar first) the 8-bit two's-complement value of the sum of all bytes modulo 2 8 Start = colon 0x3A End = 0x0D 0x0A 2

3 ASCII table 3

4 RTU (Remote Terminal Unit) mode 1byte -> 8 bit (2 Hex) Bits x byte: 1 start, 8 data, 1 parity or no-parity, 1 stop (2 if no parity) Error Check -> CRC (Cyclical Redundancy Check, LSB first) T1-T2-T3-T4 Preamble 3,5char silent 4

5 Address field 1 byte -> valid addresses 0 -> broadcast valid slave addresses Function field 1 byte, valid codes sent by the master, echoed by the slave (MSB=1 if error/exception) Code = 01, read Coil Status (read output bit) Code = 02, read Input status Code = 03, read Holding registers Code = 04, read Input Registers Code = 05, force single coil Code = 06, Preset single Register Code = 07, Read exception Status Other Codes, not always supported 5

6 Function: read coil status e.g. read coils from slave device 17 (note: coils start from 1 not 0-) (broadcast not supported) 6

7 Function: read input status e.g. read inputs from slave device 17 (note: offset) (broadcast not supported) 7

8 Function: read Holding Registers e.g. read registers from slave device 17 (note: offset) (broadcast not supported) 8

9 Function: read Input Registers e.g. read register from slave device 17 (note: offset) (broadcast not supported) 9

10 Function: force single coil e.g. force coil 173 ON in slave device 17 (note: 1 offset) (broadcast is supported) FF00 requests the coil to be ON; 0000 requests the coil to be OFF 10

11 Function: force multiple coils (0x0F, not always supported) e.g. force 10 coils starting from address 20 (0x13) in slave device 17 to CD01 (broadcast is supported) 11

12 Function: preset single register e.g. preset register to 0003 in slave device 17 (note: offset) (broadcast is supported) 12

13 Function: preset multiple register (0x10, not always used) e.g. preset 2 register from to 000A and 0102 in slave device 17 (note: offset) 13

14 Function: memory expansion, other function to read and write Read General reference (2 groups of registers: 2 register from file 4 starting at register 0001; 2 registers from file 3 starting at register 0009) 0x15 for write general reference (offset ) 14

15 Function: read exception status Read the contents of 8 bits of STATUS (e.g. in some slaves LSB=1 means that battery is OK) (broadcast not supported) 15

16 Function: 0x08 diagnostics, not always used Diagnostic of the communication and of the slave Broadcast not supported Two-bytes sub-function code - Return query data (like ping ) - Restart communications command (to exit from listen only mode ) - (including return of some fail counters) 16

17 Exception management If the operation requested by the master fails (e.g. master asks for reading a not existing coil), the slave signals an exception Two-bytes sub-function code - 01/02/03 Illegal function/address/data (read a coil for Return query data (like ping ) - 04 slave device failure (unrecoverable error) - 05 acknowledge (time requested to perform command) - 17

18 LRC (1 byte, high char first) Add all the bytes in the frame and then produce the 2 8 -complement 18

19 CRC (2 bytes, LSB first) A procedure for generating a CRC is: 1. Load a 16 bit register with FFFF hex (all 1 s). Call this the CRC register. 2. Exclusive OR the first 8 bit byte of the message with the low order byte of the 16 bit CRC register, putting the result in the CRC register. 3. Shift the CRC register one bit to the right (toward the LSB), zero filling the MSB. Extract and examine the LSB. 4. (If the LSB was 0): Repeat Step 3 (another shift). (If the LSB was 1): Exclusive OR the CRC register with the polynomial value A001 hex ( ). 5. Repeat Steps 3 and 4 until 8 shifts have been performed. When this is done, a complete 8 bit byte will have been processed. 6. Repeat Steps 2 through 5 for the next 8 bit byte of the message. Continue doing this until all bytes have been processed. 7. The final contents of the CRC register is the CRC value. 8. When the CRC is placed into the message, its upper and lower bytes must be swapped as described below. 19

20 CRC (2 bytes, LSB first) A procedure for generating a CRC (each byte b) is: unsigned int CRC16; #define SEED 0xFFFF //initialization for CRC16 #define GP 0xA001 //generating polynomial void Calc_CRC(unsigned byte b, unsigned int* CRC) { BOOL carry; int i; } CRC[0] ^= b & 0xFF; for (i=0; i<8; i++) { carry = CRC[0] & 0x0001; CRC[0]>>=1; if (carry) CRC[0] ^= GP; } 20

21 CANbus2.0B (Controller Area Network) Developed in 85 by Bosch for automotive (CiA -CAN in Automation- since ) Standard ISO ,Definitions and generality ISO , CAN up to 125 Kbit/s ISO 11898,CAN up to 1 M bit/s Random access bus (32 users, 50m, 1Mbaud) Synchronous serial link NRZ (non return to zero) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoiding) Twisted pair cable, differential transmission open-collector like, that is 0 level wins Automatic bus release if collision occurs and retransmission 4 frames: DATA (data exchange), REMOTE (request to send data), ERROR (error signaling, OVERLOAD (temporary unavailable) See AT91SAM7 - CAN.ppt 21

22 CAN: THE FRAME CAN 2.0A frame (11 bit identifier) CAN 2.0B frame (29 bit identifier) 22

23 CANbus2.0B Application layer: CANOPEN, DeviceNet, 23

24 CANOpen CANOPEN Object model Client-Server or Producer-Consumer. Each node communicates on: event timing mode On request (after a SYNC message) Information oriented (instead of node oriented) 24

25 CANOPEN CANopen: objects for communications CANopen has six Comunication Object (COB) PDO (Process Data Object): used for real-time process data (producer-consumer). The format and relations are detailed in the object dictionary. SDO (Service Data Object): used to modify the object dictionary. client server relation. Synchronization Object: SYNC message from the synchronization master (producer-consumer) Time Stamp Object: furnishes the date Emergency Object: (producer-consumer) Network Management Object: gestione rete (master-salve) Each COB has an its own COB-ID (CAN identifier field) Message priority depends on COB-ID: the lowest COB-ID the strongest priority 25

26 CANOPEN and DEVICENET: NO COEXISTANCE Caratteristiche CANopen DeviceNet dell oggetto comunicazione Process Data Object (PDO) Messaggi di I/O Massimo numero di oggetti di comunicazione per nodo 512 PDO di trasmissione, 512 PDO di ricezione 27 messaggi per la trasmissione 1701 per la ricezione Massima lunghezza del campo dati 8 byte 8 byte (Col protocollo frammentato > 8 byte) Protocollo per la trasmissione dei messaggi di I/O Non frammentato (Non c è overhead ) Senza risposta Non frammentato, Non c è overhead Tre classi di trasporto supportate: senza risposta risposta dell oggetto connessione risposta dell oggetto applicazione (1 byte overhead) Modalità di produzione dei messaggi Su richiesta di una applicazione remota o del nodo. Modalità sincrona ciclica o aciclica Ciclica Change of state Specifica dell applicazione Può essere mappato un numero arbitrario di oggetti applicazione con il protocollo frammentato. E ottenuto attraverso l oggetto assembly. Supportata la mappatura dinamica Messaggi espliciti Mappatura degli oggetti applicazione rispetto alle istanze di connessione Il massimo numero di oggetti applicazione mappabili per PDO dipende dalla dimensione dei dai dell oggetto. Questo può essere ottenuto attraverso l Object Dictionary Supportata la mappatura dinamica Nome del canale per la Service Data Object, SDO comunicazione peer to peer Massimo numero di canali per ogni 127 SDO client 27 per la trasmissione dispositivo 127 SDO server 1701 per la ricezione per ogni dispositivo Protocollo per la trasmissione dei < 5 byte, Non frammentato con risposta <7 byte, Non frammentato con risposta messaggi peer to peer >4 byte >6 byte Frammentato (7byte x frammento) Frammentato (6byte x frammento) Si risponde ad ogni pacchetto Si risponde ad ogni pacchetto Modalità di connessione Servizi principali supportati attraverso tali connessione Indirizzi necessari per la richiesta Connessione dinamica attraverso il gestore SDO. Connessione di default predefinita Inizia, termina la comunicazione Carica scarica dati Indice e sottoindice dell indirizzo presente nell Object Dictionary Connessione dinamica attraverso Unconnected Message Manager Per i dispositivi del gruppo 2 è prevista un allocazione attraverso messaggi espliciti Apri/chiudi la trasmissione Crea, Configura, inizia, ferma, resetta i diversi oggetti Access path dell attributo dell oggetto voluto e argomenti del servizio 26

27 Assegnazione identificatori messaggi CANOPEN and DEVICENET CANopen (insieme di identificatori disponibili a tutti i 128 nodi della rete) - un solo DBT (DistriBuTor) master che alloca gli identificatori TPDO = Process data Objects in tx (trasferimenti veloci di dati) RPDO = Process data Objects in rx (trasferimenti veloci di dati) SDO = Service data Objects (wr e rd di messaggi a dizionario) -possibilità di identificatore semplice (gestione nodo, errori, ) DeviceNet - Ogni nodo possiede un gruppo di ID (ogni gruppo ha specifiche funzioni) - Gruppo 2 per master-slave semplice ID function ID node Bit 10 Bit 9 Bit 8 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CANopen Group ID MAC ID ID type of message DeviceNet 27

28 CANOPEN and DEVICENET Trasmissione dati - CANopen (PDO, Process data Objects) Senza risposta - DeviceNet (messaggi di I/O, tutte le info nell identificatore) Senza risposta, con risposta alla connessione, con risposta all applicazione Acquisizione messaggi - CANopen Su evento (Es. ricezione di PDO asincrono) Su richiesta dell applicazione (Es. richiesta di messaggio) Su rx di msg di sincronizzazione (invio ciclico, broadcast per la sincronizzazione dell applicazione - DeviceNet Cambio di stato Acquisizione decisa dall oggetto applicazione Modalità ciclica 28

29 CANOPEN and DEVICENET Indirizzamento oggetti applicazione (ad un nodo corrispondono più oggetti) - CANopen (PDO mapping record, lista oggetti nell Object Dictionary) - DeviceNet (oggetto assembly, definisce formato dati) Gestione della rete (configurazione nodi, diagnostica) - CANopen (Service Data Objects, connessione SDO con 2 ID per tx e rx) - DeviceNet (messaggi espliciti, accesso ai servizi dello slave) Osservazioni su CAN, CANopen e Devicenet Ampia disponibilità di controllori, periferiche sistemi di sviluppo Diffuso, economico, in espansione (wireless) Non a sicurezza intrinseca Non deterministico Soluzioni non certificate 29

30 CANOPEN See also 30

31 CANOPEN See also 31

32 CANOPEN DEVICE MODEL See also 32

33 CANOPEN DICTIONARY See also 33

34 CANOPEN ENTRY DESCRIPTION See also 34

35 Process Data Object (PDO) CANOPEN: PDO Producer-consumer or broadcast Non-confirmed mode T_PDO and R_PDO have the same identifier See also 35

36 Process Data Object (PDO) 3 message triggering modes CANOPEN: PDO See also 36

37 Service Data Object (SDO) CANOPEN: SDO SDO: read and write access to the CANopen object dictionary See also 37