基于LabVIEW的Modbus协议两种校验码的实现方法

Modbus协议简介
　　下面仅讨论与本文有关的Modbus协议的内容。
1.1Modbus协议的数据传输方式
　　Modbus协议定义了两种数据传输方式，即ASCII模式和RTU模式(表1、表2)。控制器可以设置为两种传输方式(ASCII或RTU)中的任何一种，在标准的Modbus网络中进行通信。用户可选择想要的模式，包括串口通信参数(波特率、检验方式等)；在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。

1.2 Modbus消息帧
　　两种传输模式中(ASCII或RTU)，传输设备将Modbus消息转为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中(广播方式则传给所有设备)，判知何时信息已完成。
1.2.1ASCII帧
　　使用ASCII模式，消息以冒号(：)字符(ASCII码3AH)开始，以回车换行符结束(ASCII码0DH,0AH)。
　　其他域可以使用的传输字符是十六进制的0…9,A…F。网络上的设备不断侦测“：”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否发给自己。
　　消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1s，否则接收的设备将认为传输错误。一个典型消息帧如表3所示。

使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0…9,A…F。当第一个域(地址域)接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。
　　整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一个典型的消息帧如表4所示。

1.3 错误检测域
1.3.1ASCII模式
　　选用ASCII模式作字符帧，错误检测域包含两个ASCII字符。这是使用LRC(纵向冗余检测)方法对消息内容计算得出的，不包括开始的冒号符及回车换行符。LRC字符附加在回车换行符前面。
1.3.2RTU模式
　　选用RTU模式作字符帧，错误检测域包含一16Bits值(用两个8位的字符来实现)。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗余检测得出的。CRC域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节。故CRC高字节是发送消息的最后一个字节。
1.4Modbus的数据校验方式
1.4.1CRC-16(循环冗余错误校验)
　　冗余循环码(CRC)包含2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。
　　在进行CRC码计算时只用8位数据位。起始位、停止位、奇偶校验位都不参与CRC码计算。
　　计算CRC码的步骤为：
　　① 预置16位寄存器为十六进制FFFF(即全为1)。称此寄存器为CRC寄存器。
　　② 把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或运算，把结果放于CRC寄存器。
　　③ 把寄存器的内容右移一位，用0填补最高位，检查最低位。
　　④ 如果最低位为0：重复第3步，再次右移一位；如果最低位为1：CRC寄存器与多项式A001(1010 0000 0000 0001)进行异或运算。
　　⑤ 重复步骤③和④，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理。
　　⑥ 重复步骤②到⑤，进行下个8位数据的处理。
　　⑦ 最后得到的CRC寄存器的值即为CRC码。
　　⑧ 将CRC码分成高8位和低8位，按低位在先，高位在后，将它们加到传送数据之后。
1.4.2LRC(纵向冗余错误校验)
　　LRC错误校验用于ASCII模式。这个错误校验码是一个8位二进制数，可作为2个ASCII十六进制字节传送。计算LRC码时，仅设备地址、功能代码、数据块字节参加运算，而冒号(：)、回车符号(CR)、换行字符(LF)不参加运算。具体计算LRC码的步骤为：
　　① 需运算的所有字节相加，所得之和丢弃进位。
　　② 将上步计算出的8位字节取反或由FFH减去该8位字节。
　　③ 将取反后的值加1即为LRC码。
　　接收端判断接收到的信息是否正确的简单方法是：将除冒号(：)、回车符号(CR)、换行字符(LF)以外的所有字节，包括LRC码相加并丢弃进位，若结果为0，则表明信息传送正确，否则出错。

2 LabVIEW中Modbus协议两种校验码的实现方法
2.1CRC码实现方法
　　遵照1.4.1节中计算CRC码的步骤进行软件设计如图1所示。

2.2 LRC码实现方法
　　遵照1.4.2节中计算LRC码的步骤进行软件设计如图2所示。

LabVIEW是一种图形化的开发语言，简便易懂，开发效率高，Modbus协议两种校验码的实现程序很好完成。关键在于搞清CRC码和LRC码产生方法。

3 结论
　　在LabVIEW中开发Modbus协议两种校验码的实现程序简单方便、效率很高。本文给出的两个实现程序是在LabVIEW7.1中完成的，完全可在实际基于PC机的测控程序中加以实际应用。
参考文献
［1］MODICON,Inc..Modbus Protocol Reference Guide［Z］.1996.
［2］杨乐平，李海涛，肖相生.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.