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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。
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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。
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前置需求
问题要解决，但解决方案也要有边界。
- 支持半双工（RS485）通信方式；
- 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；
- 不改变且复用已有协议数据（寄存器）定义方式；
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设计方案
总体流程
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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） |
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| PDU |
子功能码 |
1 Byte |
|
| 数据长度 |
2 Bytes |
N |
|
| 数据域 |
N Bytes |
|
|
| CRC |
2 Bytes |
|
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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 |
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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。
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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； |
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| 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； |
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| 预留 |
2 Bytes |
|
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| 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； |
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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：
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主机系统初始化；
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设备断链过程中；
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增量请求返回异常；
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设备升级结束；
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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） |
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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。 |
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| 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 |
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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：
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数据归0
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数据从0跳变为非0
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正负翻转
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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：
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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