工控学习1

原创已于 2025-09-29 18:48:00 修改 · 675 阅读

18 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#学习

于 2025-09-29 17:41:17 首次发布

1BIT

1bit（1位）是计算机和数字通信中最小的数据单位，用于表示二进制状态（0或1）。在工业自动化和通信协议（如Modbus）中，1bit常用于存储开关量信号（如传感器状态、按钮动作）。以下从定义、特性、应用场景及操作示例四方面详细说明：

一、1bit的定义与特性

基本概念
- 1bit是二进制的最小单位，只能表示两种状态：
  - 0：通常代表“断开”“无信号”“低电平”或“假”；
  - 1：通常代表“闭合”“有信号”“高电平”或“真”。
- 例如：
  - 光电传感器检测到物体时输出1，未检测到时输出0；
  - 急停按钮按下时输出1，松开时输出0。
存储与传输
- 1bit无法单独存储在内存中，通常以位域（Bit Field）或字节（Byte，8bit）的形式组织。
- 在Modbus协议中，离散输入寄存器（DI）和线圈寄存器（Coils）均以1bit为单位，但通信时需按字节或字（16bit）传输，通过位掩码提取具体bit值。
与字节/字的关系
- 1字节（Byte） = 8bit：可存储8个独立的开关量信号；
- 1字（Word） = 16bit：常用于存储16个开关量或1个16位整数（如输入寄存器IR）。

二、1bit在Modbus协议中的应用

离散输入寄存器（DI）
- 功能：存储只读的开关量输入信号（如传感器、按钮）；
- 地址范围：Modbus中DI的显示地址通常为10001~19999，协议地址为0x0000起始；
- 操作：通过功能码02（Read Discrete Inputs）读取，每次最多读取2000个bit（但实际受设备限制）。
线圈寄存器（Coils）
- 功能：存储可读写的开关量输出信号（如继电器、LED）；
- 地址范围：显示地址通常为00001~09999，协议地址为0x0000起始；
- 操作：通过功能码05（Write Single Coil）或15（Write Multiple Coils）写入。
位掩码与字节处理
- 由于Modbus通信以字节或字为单位，读取DI时需通过位掩码提取具体bit值。例如：
  - 读取10001~10008（8个DI）时，从设备返回1字节数据；
  - 若第3个DI（10003）为1，则字节值为0x04（二进制00000100）。

总结学习心得：

从此看来，在工控的modbus RTU协议中，是遵循功能码来实现具体相关功能的，

例如：

功能码01 读线圈

功能码02(Read Discrete Inputs) 是读取离散输入寄存器DI discrete input registers

功能码03 读保持寄存器

功能码04读输入寄存器

功能码05 (Write Single Coil) 是写单个线圈 coils

功能码06 写单个保持寄存器

功能码15 (Write Multiple Coils) 是写入多个线圈

功能码16 写多个保持寄存器

也就是说modbus协议中的功能码和相关的功能是一一对应的，要实现什么样的功能，就选择其对应的功能码。

三、1bit的典型应用场景

传感器信号采集
- 光电传感器：检测物体到位（1）或未到位（0）；
- 接近开关：判断机械臂位置（1=到位，0=未到位）；
- 编码器：通过脉冲计数转换为位信号（如方向判断）。
设备状态监测
- 急停按钮：按下（1）或松开（0）；
- 柜门开关：打开（1）或关闭（0）；
- 运行模式：自动（1）或手动（0）。
故障诊断与保护
- 过流保护：触发（1）或正常（0）；
- 过热报警：温度超限（1）或正常（0）；
- 通信状态：485总线在线（1）或离线（0）。

四、1bit操作示例

1. 读取离散输入寄存器（DI）

场景：读取传感器状态（10001和10002）。

Modbus RTU指令：响应解析：

uint8_t modbus_cmd[] = {
    0x01,       // 从站地址（1号设备）
    0x02,       // 功能码（读取离散输入）
    0x00, 0x00, // 起始地址（10001对应0x0000）
    0x00, 0x02, // 寄存器数量（2个DI）
    0xC1, 0x07  // CRC校验
};

若返回数据为0x03（二进制00000011），则：
- 第1个DI（10001）= 1；
- 第2个DI（10002）= 1。

2. 写入线圈寄存器（Coils）

场景：控制继电器（00001和00002）。
Modbus RTU指令（写入单个线圈）：

uint8_t modbus_cmd[] = {
    0x01,       // 从站地址
    0x05,       // 功能码（写入单个线圈）
    0x00, 0x00, // 线圈地址（00001对应0x0000）
    0xFF, 0x00, // 值（0xFF00=1，0x0000=0）
    0x3A, 0x9C  // CRC校验
};

效果：继电器00001闭合（1）。

五、1bit操作的注意事项

地址转换
Modbus协议中，寄存器地址分为“显示地址”和“协议地址”，需按公式转换：
协议起始地址 = 显示地址 - 该类型寄存器起始偏移
例：DI显示地址10005 → 协议地址 = 10005 - 10001 = 0x0004。
批量操作限制
- 单次最多读取2000个DI（但实际受设备性能限制）；
- 写入线圈时，功能码15支持批量写入，但需注意字节顺序。
硬件匹配
- 确保传感器输出类型（如NPN/PNP）与从设备输入电路匹配；
- 继电器负载能力需满足控制需求（如电压、电流）。

六、1bit与数据效率

优势：1bit存储空间极小，适合高密度开关量信号（如数百个传感器）；
局限：单独操作1bit效率低，通常以字节或字为单位批量处理；
优化：通过位域或压缩算法（如Huffman编码）进一步节省空间。

离散输入寄存器

离散输入寄存器（Discrete Input Registers，DI）是Modbus协议中用于存储数字量输入信号的只读寄存器，每个寄存器通过单个位（bit）表示开关量状态（0或1），通常对应硬件层面的传感器信号、按钮状态或设备控制信号。以下从特性、功能码、应用场景及操作示例四方面进行详细说明：

一、核心特性

数据类型
每个寄存器为1位（bit），仅存储0（断开/无信号）或1（闭合/有信号），对应开关量的二进制状态。例如：
- 光电传感器检测到物体时为1，未检测到为0；
- 急停按钮按下时为1，松开时为0。
读写权限
- 只读：主设备（如PLC、HMI）只能读取寄存器值，无法直接修改；
- 从设备更新：寄存器值由硬件输入（如传感器、按钮）动态更新，从设备（如变频器、IO模块）负责将物理信号转换为数字量并存储。
地址范围
Modbus协议中，离散输入寄存器的地址通常以1开头，范围为10001~19999。实际通信时需转换为协议地址（起始地址+寄存器数量），例如读取10001~10004时，起始地址为0x0000，数量为4。

二、功能码与通信

唯一功能码
离散输入寄存器仅支持功能码02（Read Discrete Inputs），用于读取一个或多个连续寄存器的状态。

通信示例
以STM32读取传感器状态为例，发送的Modbus RTU指令如下：

uint8_t modbus_cmd[] = {
    0x01,       // 从站地址（1号设备）
    0x02,       // 功能码（读取离散输入）
    0x00, 0x00, // 起始地址（10001对应0x0000）
    0x00, 0x02, // 寄存器数量（2个DI）
    0xC1, 0x07  // CRC校验
};

从设备响应后，主设备可解析数据判断传感器状态（如0x01表示第一个DI为1，第二个为0）。

三、典型应用场景

设备状态监测
- 读取急停按钮、柜门开关、限位开关等安全信号；
- 监测设备运行模式（如自动/手动、正转/反转）。
传感器信号采集
- 光电传感器检测物体到位；
- 接近开关判断机械臂位置；
- 编码器反馈电机转速信号（需通过脉冲计数转换）。
故障诊断
- 读取过流、过压、过热等保护信号；
- 监测通信模块在线状态（如485总线连接是否正常）。

四、与其他寄存器的对比

寄存器类型	读写权限	数据宽度	典型应用
离散输入寄存器（DI）	只读	1位（bit）	传感器状态、按钮信号
线圈寄存器（Coils）	可读可写	1位（bit）	继电器控制、LED指示灯
输入寄存器（IR）	只读	16位（2字节）	模拟量采集（温度、压力、电流）
保持寄存器（HR）	可读可写	16位（2字节）	设备参数设置、运行时间统计

五、操作注意事项

地址转换
Modbus协议中寄存器地址分为“显示地址”（如10001）和“协议地址”（如0x0000），通信时需按公式转换：
协议起始地址 = 显示地址 - 该类型寄存器起始偏移
例：DI显示地址10005 → 协议地址 = 10005 - 10001 = 0x0004。
批量读取限制
标准Modbus单次最多可读取2000个离散输入寄存器，但实际受设备性能限制，建议分批读取。
硬件匹配
确保从设备支持离散输入功能，且传感器信号类型（如NPN/PNP）与从设备输入电路匹配。