Modbus通信協(xié)議的通訊傳送方式

ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。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)采集和過程監(jiān)控。

ModBus網(wǎng)絡(luò)只有一個主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機(jī)交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。

了解Modbus通訊協(xié)議是怎么回事，在現(xiàn)場就可以用各種第三方的小軟件做通訊測試了。

Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。

Modbus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗，但TCP模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗，因為TCP協(xié)議是一個面向連接的可靠協(xié)議。另外，Modbus采用主從方式定時收發(fā)數(shù)據(jù)，在實際使用中如果某Slave站點斷開后（如故障或關(guān)機(jī)），Master端可以診斷出來，而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。

對于Modbus的ASCII、RTU和TCP協(xié)議來說，其中TCP和RTU協(xié)議非常類似，我們只要把RTU協(xié)議的兩個字節(jié)的校驗碼去掉，然后在RTU協(xié)議的開始加上5個0和一個6并通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去即可。

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通訊傳送方式：

通訊傳送分為獨立的信息頭，和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)。以下的通訊傳送方式定義也與ModBusRTU通訊規(guī)約相兼容：

初始結(jié)構(gòu) = ≥4字節(jié)的時間

地址碼 = 1 字節(jié)

功能碼 = 1 字節(jié)

數(shù)據(jù)區(qū) = N 字節(jié)

錯誤校檢 = 16位CRC碼

結(jié)束結(jié)構(gòu) = ≥4字節(jié)的時間

地址碼：地址碼為通訊傳送的第一個字節(jié)。這個字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。并且每個從機(jī)都有具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。

功能碼：通訊傳送的第二個字節(jié)。ModBus通訊規(guī)約定義功能號為1到127。本儀表只利用其中的一部分功能碼。作為主機(jī)請求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。如果從機(jī)發(fā)送的功能碼的最高位為１(比如功能碼大與此同時127)，則表明從機(jī)沒有響應(yīng)操作或發(fā)送出錯。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同。數(shù)據(jù)區(qū)可以是實際數(shù)值、設(shè)置點、主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的地址。

CRC碼：二字節(jié)的錯誤檢測碼。

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通訊規(guī)約：

當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動作的功能碼、執(zhí)行動作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗碼。如果出錯就不發(fā)送任何信息。

1．信息幀結(jié)構(gòu)

地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū) 錯誤校驗碼

8位 8位 N × 8位 16位

地址碼：地址碼是信息幀的第一字節(jié)(8位)，從0到255。這個字節(jié)表明由用戶設(shè)置地址的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來的信息。每個從機(jī)都必須有唯一的地址碼，并且只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)回送。當(dāng)從機(jī)回送信息時，相當(dāng)?shù)牡刂反a表明該信息來自于何處。

功能碼：主機(jī)發(fā)送的功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么任務(wù)。表1-1列出的功能碼都有具體的含義及操作。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動作或由從機(jī)采集的返送信息。這些信息可以是數(shù)值、參考地址等等。例如，功能碼告訴從機(jī)讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)區(qū)必需包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對于不同的從機(jī)，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。

錯誤校驗碼：主機(jī)或從機(jī)可用校驗碼進(jìn)行判別接收信息是否出錯。有時，由于電子噪聲或其它一些干擾，信息在傳輸過程中會發(fā)生細(xì)微的變化，錯誤校驗碼保證了主機(jī)或從機(jī)對在傳送過程中出錯的信息不起作用。這樣增加了系統(tǒng)的安全和效率。錯誤校驗采用CRC-16校驗方法。

注：信息幀的格式都基本相同：地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯誤校驗碼。

2．錯誤校驗

冗余循環(huán)碼（CRC）包含2個字節(jié)，即16位二進(jìn)制。CRC碼由發(fā)送設(shè)備計算，放置于發(fā)送信息的尾部。接收信息的設(shè)備再重新計算接收到信息的 CRC碼，比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯。

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Modbus支持的功能碼：

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功能碼命令詳解：

在這些功能碼中較長使用的是1、2、3、4、5、6號功能碼，使用它們即可實現(xiàn)對下位機(jī)的數(shù)字量和模擬量的讀寫操作。

1、01號命令，讀可讀寫數(shù)字量寄存器（線圈狀態(tài)）：

計算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]

例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]

意義如下：

<1>設(shè)備地址：在一個485總線上可以掛接多個設(shè)備，此處的設(shè)備地址表示想和哪一個設(shè)備通訊。例子中為想和17號(十進(jìn)制的17是十六進(jìn)制的11)通訊。

<2>命令號01：讀取數(shù)字量的命令號固定為01。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的開關(guān)量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為19。

<4>寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個開關(guān)量。例子中為37個開關(guān)量。

<5>CRC校驗：是從開頭一直校驗到此之前。

設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號01] [返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B] [CRC高] [CRC低]

意義如下：

<1>設(shè)備地址和命令號和上面的相同。

<2>返回的字節(jié)個數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1，2...n中的n的值。

<3>數(shù)據(jù)1...n：由于每一個數(shù)據(jù)是一個8位的數(shù)，所以每一個數(shù)據(jù)表示8個開關(guān)量的值，每一位為0表示對應(yīng)的開關(guān)斷開，為1表示閉合。比如例子中，表示20號(索引號為19)開關(guān)閉合，21號斷開，22閉合，23閉合，24斷開，25斷開，26閉合，27閉合...如果詢問的開關(guān)量不是8的整倍數(shù)，那么最后一個字節(jié)的高位部分無意義，置為0。

<4>CRC校驗同上。

2、05號命令，寫數(shù)字量（線圈狀態(tài)）：

計算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]

例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC高][CRC低]

意義如下：

<1>設(shè)備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫數(shù)字量的命令號固定為05。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的開關(guān)的地址。

<4>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的開關(guān)量的狀態(tài)。例子中為把該開關(guān)閉合。注意，此處只可以是[FF][00]表示閉合[00][00]表示斷開，其他數(shù)值非法。

<5>注意此命令一條只能下置一個開關(guān)量的狀態(tài)。

設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計算機(jī)發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng)。

3、03號命令，讀可讀寫模擬量寄存器（保持寄存器）：

計算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例：[11][03][00][6B][00][03] [CRC高][CRC低]

意義如下：

<1>設(shè)備地址和上面的相同。

<2>命令號:讀模擬量的命令號固定為03。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的模擬量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為107。

<4>寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個模擬量。例子中為3個模擬量。注意，在返回的信息中一個模擬量需要返回兩個字節(jié)。

設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號03] [返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64] [CRC高] [CRC低]

意義如下：

<1>設(shè)備地址和命令號和上面的相同。

<2>返回的字節(jié)個數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1，2...n中的n的值。例子中返回了3個模擬量的數(shù)據(jù)，因為一個模擬量需要2個字節(jié)所以共6個字節(jié)。

<3>數(shù)據(jù)1...n：其中[數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]分別是第1個模擬量的高8位和低8位，[數(shù)據(jù)3][數(shù)據(jù)4]是第2個模擬量的高8位和低8位，以此類推。例子中返回的值分別是555，0，100。

<4>CRC校驗同上。

4、06號命令，寫單個模擬量寄存器（保持寄存器）：

計算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例：[11][06][00][01][00][03] [CRC高] [CRC低]

意義如下：

<1>設(shè)備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為06。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模擬量寄存器的地址。

<4>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的模擬量數(shù)據(jù)。比如例子中就把1號寄存器的值設(shè)為3。

<5>注意此命令一條只能下置一個模擬量的狀態(tài)。

設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計算機(jī)發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng)。

5、16號命令，寫多個模擬量寄存器（保持寄存器）：

計算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量高8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位][……][……] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例：[11][16][00][01][00][01][00][05] [CRC高] [CRC低]

意義如下：

<1>設(shè)備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為16。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模擬量寄存器的地址。

<4>需下置的數(shù)據(jù)數(shù)量高8位，低8位：表明了需要下置的數(shù)據(jù)數(shù)量，這里為1。

<5>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的模擬量數(shù)據(jù)。比如例子中就把1號寄存器的值設(shè)為5。

設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計算機(jī)返回的如下命令，否則不響應(yīng)。

設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量高8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]，如上例返回：

[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]