什么是Modbus協(xié)議

1、 Modbus簡(jiǎn)介

Modbus 是由 Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在 1979 年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正 用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。

ModBus 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過(guò)公用線路或局部專(zhuān) 用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控。

為更好地普及和推動(dòng) Modbus 在基于以太網(wǎng)上的分布式應(yīng)用，目前施耐德公司已將 Modbus 協(xié)議的 所有權(quán)移交給 IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自動(dòng)化接口）組織，并成立了 Modbus-IDA 組織，為 Modbus 今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在中國(guó)，Modbus 已經(jīng)成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并有專(zhuān)業(yè)的規(guī)范文檔，感興趣的可以去查閱相關(guān)的文件，詳情如下：

標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為：GB/T19582-2008

文件名稱(chēng)：《基于 Modbus 協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》

主要有三部分的內(nèi)容，分別如下：

《GB/T 19582.1-2008 第 1 部分：Modbus 應(yīng)用協(xié)議》

《GB/T 19582.2-2008 第 2 部分：Modbus 協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南》

《GB/T 19582.3-2008 第 3 部分: Modbus 協(xié)議在 TCP/IP 上的實(shí)現(xiàn)指南》

2、Modbus協(xié)議概述

Modbus是一個(gè)主-從模式的通信協(xié)議，屬于數(shù)據(jù)鏈路層上的協(xié)議，協(xié)議本身不涉及具體的硬件要求。

常見(jiàn)的應(yīng)用Modbus協(xié)議的物理接口有RS-485、RS232、USART等的通信鏈路中。

Modbus協(xié)議中，一個(gè)時(shí)刻內(nèi)只允許有一個(gè)主機(jī)連接于總線，多個(gè)從機(jī)連接于總線上，通信都是只能由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。不能從從機(jī)主動(dòng)發(fā)起通信。

3、Modbus 主從機(jī)通信模式

主機(jī)和從機(jī)之間的通信，可以用兩種模式進(jìn)行：廣播通知模式、單播點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。

3.1、單播點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

主機(jī)按照從機(jī)的明確地址訪問(wèn)相應(yīng)的從機(jī)，從機(jī)接到來(lái)自主機(jī)的請(qǐng)求并處理完請(qǐng)求后，從機(jī)會(huì)向主機(jī)返回一個(gè)應(yīng)答，完成一個(gè)通信。

在這種模式，一個(gè) Modbus 事務(wù)處理包含 2 個(gè)報(bào)文：一個(gè)來(lái)自主機(jī)的請(qǐng)求，一個(gè)來(lái)自從機(jī)的應(yīng)答。

在總線上，每個(gè)從機(jī)都必須有唯一的從機(jī)地址 (1 到 247)，這樣才能區(qū)別于其它節(jié)點(diǎn)被獨(dú)立的尋址。

3.2、廣播通知模式

主機(jī)向所總線通過(guò)廣播指令發(fā)送請(qǐng)求，所有的從機(jī)都要接收來(lái)自主機(jī)的廣播信息。

對(duì)于主機(jī)廣播的請(qǐng)求，從機(jī)是沒(méi)有應(yīng)答返回的。所有的從機(jī)必須要接受主機(jī)的廣播寫(xiě)功能。

地址 0 是專(zhuān)門(mén)用于主機(jī)向各個(gè)從機(jī)廣播數(shù)據(jù)的。

4、Modbus 地址規(guī)則

Modbus 尋址空間可以有 256 個(gè)不同地址。如下圖所示：

地址 0 為廣播地址。所有的從機(jī)必須識(shí)別廣播地址。

Modbus 主機(jī)本身是沒(méi)有地址的，只有從機(jī)必須要有一個(gè)地址。該地址必須在 Modbus 串行總線上唯一。

248~255作為預(yù)留使用的地址。

5、Modbus 的幀格式

Modbus的幀格式按照選擇的模式不同幀格式也是有所區(qū)別的。

5.1、RTU模式

RTU 模式下的幀格式如下圖：

Modbus RTU 幀總長(zhǎng)度最大為 256 字節(jié)。

RTU 模式每個(gè)字節(jié) ( 11 位 ) 的格式為** :**

8–位二進(jìn)制，報(bào)文中每個(gè) 8 位字節(jié)含有兩個(gè) 4 位十六進(jìn)制字符(0–9， A–F)

每字節(jié)的 bit 流:

1 起始位

8 數(shù)據(jù)位， 首先發(fā)送最低有效位

1 位作為奇偶校驗(yàn)

1 停止位

偶校驗(yàn)是要求的， 其它模式 ( 奇校驗(yàn)， 無(wú)校驗(yàn) ) 也可以使用。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性， 同時(shí)支持無(wú)校驗(yàn)?zāi)Ｊ绞墙ㄗh的。默認(rèn)校驗(yàn)?zāi)Ｊ侥Ｊ?必須為偶校驗(yàn)。

注 : 使用無(wú)校驗(yàn)要求 2 個(gè)停止位。

RTU模式時(shí)，每個(gè)字符或字節(jié)均由此順序發(fā)送(從左到右)：

最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)

5.1.1、RTU模式下的幀通信

由發(fā)送設(shè)備將 Modbus 報(bào)文構(gòu)造為帶有已知起始和結(jié)束標(biāo)記的幀。這使設(shè)備可以在報(bào)文的開(kāi)始接收 新幀，并且知道何時(shí)報(bào)文結(jié)束。

不完整的報(bào)文必須能夠被檢測(cè)到而錯(cuò)誤標(biāo)志必須作為結(jié)果被設(shè)置。

在 RTU 模式，報(bào)文幀由時(shí)長(zhǎng)至少為 3.5 個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分。

整個(gè)報(bào)文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送。

如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于 1.5 個(gè)字符時(shí)間，則報(bào)文幀被認(rèn)為不完整應(yīng)該被接收節(jié)點(diǎn)丟棄。

注意 :

RTU 模式下接收數(shù)據(jù)時(shí)，由于 t1.5 和 t3.5 的時(shí)間隔要求的存在，一般在高通信速率下，會(huì)導(dǎo)致 CPU 負(fù)擔(dān)加重。因此，在通信速率等于或低于 19200 bps 時(shí)，這兩個(gè)定時(shí)必須嚴(yán)格遵守；

對(duì)于波特率大于 19200 bps 的情形，應(yīng)該使用 2 個(gè)定時(shí)的固定值：

建議的字符間超時(shí)時(shí)間(t1.5)為 750μs，

幀間的超時(shí)時(shí)間 (t1.5) 為 1.750ms。

下圖表示了對(duì) RTU 傳輸模式狀態(tài)圖的描述。"主節(jié)點(diǎn)" 和 "子節(jié)點(diǎn)" 的不同角度均在相同的圖中表示：

上面狀態(tài)圖的一些解釋:

1）從 "初始" 態(tài)到 “空閑” 態(tài)轉(zhuǎn)換需要 t3.5 定時(shí)超時(shí): 這保證幀間延遲

2）“空閑” 態(tài)是沒(méi)有發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文要處理的正常狀態(tài)。

3）在 RTU 模式， 當(dāng)沒(méi)有活動(dòng)的傳輸?shù)臅r(shí)間間隔達(dá) 3.5 個(gè)字符長(zhǎng)時(shí)，通信鏈路被認(rèn)為在 “空閑” 態(tài)。

4）當(dāng)鏈路空閑時(shí)， 在鏈路上檢測(cè)到的任何傳輸?shù)淖址蛔R(shí)別為幀起始。鏈路變?yōu)?"活動(dòng)" 狀態(tài)。然后當(dāng)鏈路上沒(méi)有字符傳輸?shù)臅r(shí)間間個(gè)達(dá)到 t3.5 后，被識(shí)別為幀結(jié)束。

5）檢測(cè)到幀結(jié)束后，完成 CRC 計(jì)算和檢驗(yàn)。然后，分析地址域以確定幀是否發(fā)往此設(shè)備，如果不是， 則丟棄此幀。為了減少接收處理時(shí)間，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整個(gè)幀結(jié)束。這 樣，CRC 計(jì)算只需要在幀尋址到該節(jié)點(diǎn) (包括廣播幀) 時(shí)進(jìn)行。

5.1.2、RTU模式的CRC校驗(yàn)

在 RTU 模式包含一個(gè)對(duì)全部報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行的，基于循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的錯(cuò)誤檢驗(yàn)域。CRC 域檢驗(yàn)整個(gè)報(bào)文的內(nèi)容。不管報(bào)文有無(wú)奇偶校驗(yàn)，均執(zhí)行此檢驗(yàn)。

CRC 包含由兩個(gè) 8 位字節(jié)組成的一個(gè) 16 位值。

CRC 域作為報(bào)文的最后的域附加在報(bào)文之后。計(jì)算后，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。CRC 高字 節(jié)為報(bào)文發(fā)送的最后一個(gè)子節(jié)。

附加在報(bào)文后面的 CRC 的值由發(fā)送設(shè)備計(jì)算。接收設(shè)備在接收?qǐng)?bào)文時(shí)重新計(jì)算 CRC 的值，并將計(jì) 算結(jié)果于實(shí)際接收到的 CRC 值相比較。如果兩個(gè)值不相等，則為錯(cuò)誤。

CRC 的計(jì)算, 開(kāi)始對(duì)一個(gè) 16 位寄存器預(yù)裝全 1。然后將報(bào)文中的連續(xù)的 8 位子節(jié)對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的計(jì) 算。只有字符中的 8 個(gè)數(shù)據(jù)位參與生成 CRC 的運(yùn)算，起始位，停止位和校驗(yàn)位不參與 CRC 計(jì)算。

CRC 的生成過(guò)程中， 每個(gè) 8–位字符與寄存器中的值異或。然后結(jié)果向最低有效位(LSB)方向移動(dòng) (Shift) 1 位，而最高有效位(MSB)位置充零。然后提取并檢查 LSB：如果 LSB 為 1， 則寄存器中的值與 一個(gè)固定的預(yù)置值異或；如果 LSB 為 0， 則不進(jìn)行異或操作。

這個(gè)過(guò)程將重復(fù)直到執(zhí)行完 8 次移位。完成最后一次（第 8 次）移位及相關(guān)操作后，下一個(gè) 8 位字節(jié) 與寄存器的當(dāng)前值異或，然后又同上面描述過(guò)的一樣重復(fù) 8 次。當(dāng)所有報(bào)文中子節(jié)都運(yùn)算之后得到的寄存 器的最終值，就是 CRC。

5.2、ASCII傳輸模式

當(dāng) Modbus 串行鏈路的設(shè)備被配置為使用 ASCII模式通信時(shí)，報(bào)文中的每個(gè) 8 位字節(jié)以兩個(gè) ASCII 字符發(fā)送。

一般在通信鏈路或者設(shè)備無(wú)法 符合 RTU 模式的定時(shí)管理時(shí)使用該模式。

ASCII的幀格式如下：

比如 : 字節(jié) 0X5B 會(huì)被編碼為兩個(gè)字符 : 0x35 和 0x42 ( ASCII 編碼 0x35 ="5"， 0x42 ="B" )。

注 : 由于一個(gè)子節(jié)需要兩個(gè)字符，此模式比 RTU 效率低。

ASCII 模式每個(gè)字節(jié) ( 10 位 ) 的格式為 :

十六進(jìn)制，ASCII 字符 0-9， A-F。

1 起始位

7 數(shù)據(jù)位， 首先發(fā)送最低有效位

1 位作為奇偶校驗(yàn)

1 停止位

偶校驗(yàn)是要求的， 其它模式 ( 奇校驗(yàn)， 無(wú)校驗(yàn) ) 也可以使用。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性， 同時(shí)支持無(wú)校驗(yàn)?zāi)Ｊ绞墙ㄗh的。默認(rèn)校驗(yàn)?zāi)Ｊ侥Ｊ?必須為偶校驗(yàn)。

注 : 使用無(wú)校驗(yàn)要求 2 個(gè)停止位。

字符是如何串行傳送的:

每個(gè)字符或字節(jié)均由此順序發(fā)送(從左到右):

最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)

5.2.1、ASCII的報(bào)文幀

在 ASCII 模式， 報(bào)文用特殊的字符區(qū)分幀起始和幀結(jié)束。一個(gè)報(bào)文必須以一個(gè)‘冒號(hào)’ ( : ) (ASCII 十六進(jìn)制 3A )起始，以 ‘回車(chē)-換行’ (CR LF) 對(duì) (ASCII 十六進(jìn)制 0D 和 0A) 結(jié)束。

注 : LF 字符可以通過(guò)特定的 Modbus 應(yīng)用命令 (參見(jiàn) Modbus 應(yīng)用協(xié)議規(guī)范) 改變。

對(duì)于所有的域，允許傳送的字符為十六進(jìn)制 0–9， A–F (ASCII 編碼)。設(shè)備連續(xù)的監(jiān)視總線上的 ‘冒 號(hào)’ 字符。當(dāng)收到這個(gè)字符后，每個(gè)設(shè)備解碼后續(xù)的字符一直到幀結(jié)束。

報(bào)文中字符間的時(shí)間間隔可以達(dá)一秒。如果有更大的間隔，則接受設(shè)備認(rèn)為發(fā)生了錯(cuò)誤。

特別注意：每個(gè)字符子節(jié)需要用兩個(gè)字符編碼。因此，為了確保 ASCII 模式 和 RTU 模式在 Modbus 應(yīng) 用級(jí)兼容，ASCII 數(shù)據(jù)域最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 (2x252) 是 RTU 數(shù)據(jù)域 (252) 的兩倍。

必然的， Modbus ASCII 幀的最大尺寸為 513 個(gè)字符。

ASCII 報(bào)文幀的要求在下面的狀態(tài)圖中綜合。"主節(jié)點(diǎn)" 和 "子節(jié)點(diǎn)" 的不同角度均在相同的圖中表示：

上面狀態(tài)圖的一些解釋:

1）“空閑” 態(tài)是沒(méi)有發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文要處理的正常狀態(tài)。

2）每次接收到 ":" 字符表示新的報(bào)文的開(kāi)始。如果在一個(gè)報(bào)文的接收過(guò)程中收到該字符，則當(dāng)前地報(bào)文 被認(rèn)為不完整并被丟棄。而一個(gè)新的接收緩沖區(qū)被重新分配。

3）檢測(cè)到幀結(jié)束后，完成 LRC 計(jì)算和檢驗(yàn)。然后，分析地址域以確定幀是否發(fā)往此設(shè)備，如果不是， 則丟棄此幀。為了減少接收處理時(shí)間，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整個(gè)幀結(jié)束。

5.2.2、ASCII的LRC校驗(yàn)

在 ASCII 模式，包含一個(gè)對(duì)全部報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行的，基于縱向冗余校驗(yàn) (LRC - Longitudinal Redundancy Checking) 算法的錯(cuò)誤檢驗(yàn)域。LRC 域檢驗(yàn)不包括起始“冒號(hào)”和結(jié)尾 CRLF 對(duì)的整個(gè)報(bào) 文的內(nèi)容。不管報(bào)文有無(wú)奇偶校驗(yàn)，均執(zhí)行此檢驗(yàn)。

LRC 域?yàn)橐粋€(gè)子節(jié)，包含一個(gè) 8 位二進(jìn)制值。LRC 值由發(fā)送設(shè)備計(jì)算，然后將 LRC 附在報(bào)文后面。接收設(shè)備在接收?qǐng)?bào)文時(shí)重新計(jì)算 LRC 的值，并將計(jì)算結(jié)果于實(shí)際接收到的 LRC 值相比較。如果兩個(gè)值不 相等，則為錯(cuò)誤。

LRC 的計(jì)算, 對(duì)報(bào)文中的所有的連續(xù) 8 位字節(jié)相加，忽略任何進(jìn)位，然后求出其二進(jìn)制補(bǔ)碼。執(zhí)行檢 驗(yàn)針對(duì)不包括起始“冒號(hào)”和結(jié)尾 CRLF 對(duì)的整個(gè) ASCII 報(bào)文域的內(nèi)容。在 ASCII 模式，LRC 的結(jié)果 被 ASCII 編碼為兩個(gè)字節(jié)并放置于 ASCII 模式報(bào)文幀的結(jié)尾，CRLF 之前。

6、Modbus的異常碼

MODBUS 事務(wù)處理的一般處理過(guò)程：

一旦服務(wù)器處理請(qǐng)求，使用合適的 MODBUS 服務(wù)器事務(wù)建立 MODBUS 響應(yīng)。

根據(jù)處理結(jié)果，可以建立兩種類(lèi)型響應(yīng)：

1） 一個(gè)正確的 MODBUS 響應(yīng)：響應(yīng)功能碼 = 請(qǐng)求功能碼

2） 一個(gè) MODBUS 異常響應(yīng)

3）用來(lái)為客戶機(jī)提供處理過(guò)程中與被發(fā)現(xiàn)的差錯(cuò)相關(guān)的信息；

4）響應(yīng)功能碼 = 請(qǐng)求功能碼 + 0x80；

5）提供一個(gè)異常碼來(lái)指示差錯(cuò)原因。

7、Modbus的功能碼

7.1、功能碼的類(lèi)別

目前Modbus的功能中可以分為三類(lèi)：公共功能碼、用戶定義功能碼、保留功能碼。

公共功能碼 ：是已經(jīng)被定義的功能碼。

用戶定義功能碼 ：有兩個(gè)可以由用戶定義功能碼。范圍為：65 至 72 和十進(jìn)制 100 至 110。

保留功能碼 ：特殊情況下使用的，并且對(duì)公共使用是無(wú)效的功能碼。

7.2、公共功能碼

Modbus中公共功能碼的定義如下：

7.2.1、線圈操作功能碼（bit位的操作）

比如我要讀取線圈中的內(nèi)容。從機(jī)地址為 11H，線圈寄存器的起始地址為 0013H，結(jié)束地址為 0037H。

需要查詢總共 37 個(gè)線圈寄存器，主機(jī)發(fā)送的RTU幀如下：

從機(jī)響應(yīng)的數(shù)據(jù)幀如下：

解析：

線圈 0013H 到線圈 001AH 的狀態(tài)為 CDH，二進(jìn)制值為 11001101，該字節(jié)的最高字節(jié)為線圈 001AH ， 最 低 字 節(jié) 為 線 圈 0013H 。各線圈狀態(tài)與數(shù)據(jù)內(nèi)容每位相對(duì)應(yīng)。1 代表 ON，0 代表 OFF。線 圈 001AH 到 線 圈 0013H 的 狀態(tài)分別為：

7.2.2、保持寄存器操作功能碼

（1）寫(xiě)多個(gè)保持寄存器

寫(xiě)多個(gè)保持寄存器使用功能碼10H。

比如：從機(jī)地址為 11H。保持寄存器的其實(shí)地址為 0001H，寄存器的結(jié)束地址為 0002H?？偣苍L問(wèn) 2

個(gè)寄存器。保持寄存器 0001H 的內(nèi)容為 000AH，保持寄存器 0002H 的內(nèi)容為 0102H。

主機(jī)請(qǐng)求的RTU幀數(shù)據(jù)如下：

從機(jī)返回的響應(yīng)為：

（2）讀保持寄存器

讀保持寄存器使用03H功能碼。

比如：從機(jī)地址為 11H。保持寄存器的起始地址為 006BH，結(jié)束地址為 006DH。

主機(jī)發(fā)送的RTU請(qǐng)求幀如下：

從機(jī)的應(yīng)答如下：