MODBUS RTU傳輸模式介紹

上期我們學習了，第一篇MODBUS協(xié)議基本介紹，今天我們來研究第二篇MODBUS RTU傳輸模式介紹。

第二篇 MODBUS RTU傳輸模式介紹

當設(shè)備使用 RTU（Remote Terminal Unit）模式在Modbus串行鏈路通信，消息中每個8位域都是由兩個十六進制字符組成。該模式的主要優(yōu)點是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。RTU模式的每個報文必須以連續(xù)的字符流傳送。

RTU模式每個字節(jié)（11位）的格式

1. 編碼系統(tǒng)：8 位二進制，報文中每個 8 位字節(jié)含有兩個 4 位十六進制字符（0-9，A-F）。
2. 每字節(jié) bit 流：1 起始位、8 數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位、1 位奇偶檢驗、1 停止位。

偶校驗是要求的，其它模式（奇校驗、無校驗）也可以使用，為了保證兼容性，同時支持無校驗?zāi)Ｊ绞墙ㄗh的。默認校驗?zāi)Ｊ奖仨殲榕夹ｒ灐?/p>

字符如何串行傳送：

每個字符或字節(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）。

RTU模式位序列

設(shè)備配置為奇校驗、偶校驗或無校驗都可以接受，如果無奇偶校驗，就傳送一個附加的停止位以填充字符幀。

RTU模式位序列（無校驗的特殊情況）

幀檢驗域： 循環(huán)冗余檢驗（CRC）。

幀描述：

RTU報文幀

Modbus報文RTU幀

由發(fā)送設(shè)備將 Modbus 報文構(gòu)造為帶有已知起始和結(jié)束標記的幀。這使設(shè)備可以在報文的開始接收新幀，并且知道何時報文結(jié)束。不完整的報文必須能夠被檢測到，而錯誤標志必須作為結(jié)果被設(shè)置。

在 RTU 模式中，報文幀由時長至少為 3.5 個字符時間的空閑間隔區(qū)分。在后續(xù)部分，這個時間區(qū)間被稱為 t3.5。

整個報文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送。

如果兩個字符直接的空閑間隔大于 1.5 個字符時間，則報文被認為不完整應(yīng)該被接收設(shè)備丟棄，如圖：

非正常報文幀

注：RTU 接受驅(qū)動程序的實現(xiàn)，由于 t1.5 和 t3.5 的定時，隱含了大量的對中斷的管理。在高速通信速率下，這導致 CPU 負擔加重。因此，在通信速率等于或低于 19200bps 時，這兩個定時必須嚴格遵守；對于波特率大于 19200bps 的情形，應(yīng)該使用 2 個定時的固定值：建議的字符間超時時間（t1.5）位 750us，幀間的超時時間（t1.5）位 1.750ms。

下圖表示了對 RTU 傳輸模式狀態(tài)圖的描述。“主設(shè)備”和“從設(shè)備”的不同角度均在相同的圖中表示：

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

2.“空閑”態(tài)是沒有發(fā)送和接收報文要處理的正常狀態(tài)。

3.在 RTU 模式，當沒有活動的傳輸?shù)膶嶋H間隔打達 3.5 個字符長時，通信鏈路被認為在“空閑”態(tài)。

4.在鏈路空閑時，在鏈路上檢測到的任何傳輸?shù)淖址急蛔R別為幀起始。鏈路變?yōu)椤盎顒印睜顟B(tài)。然后，當鏈路上沒有字符傳輸?shù)臅r間間隔達到 t3.5 后，被識別為幀結(jié)束。

5.檢測到幀結(jié)束后，完成 CRC 計算和校驗。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間，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整個幀結(jié)束。這樣，CRC 計算只需要在幀尋址到該節(jié)點（包括廣播幀）時進行。

CRC計算

在 RTU 模式包含一個對全部報文內(nèi)容執(zhí)行的，基于循環(huán)冗余校驗（CRC-Cyclical Redundancy Checking）算法的錯誤檢驗域。CRC域檢驗整個報文的內(nèi)容。不管報文有無奇偶校驗，均執(zhí)行此檢驗。

CRC 包含由兩個 8 位字節(jié)組成的一個 16 位值。

CRC 域作為報文的最后的域附加在報文之后。計算后，首先附加低字節(jié)。然后是高字節(jié)。CRC 高字節(jié)為報文發(fā)送的最后一個字節(jié)。

附加在報文后面的 CRC 的值由發(fā)送設(shè)備計算。接收設(shè)備在接收報文時重新計算 CRC 的值，并將計算結(jié)果于實際接收到的 CRC 值相比較，如果兩個值不相等，則為錯誤。

CRC 的計算，開始對一個 16位寄存器預裝全“1”，然后將報文中連續(xù)的 8位字節(jié)對其進行后續(xù)的計算。只有字符中的 8 個數(shù)據(jù)位參與到生成 CRC 的運算，起始位、停止位和校驗位不參與 CRC 計算。

CRC 生成的過程中，每個 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 1 位，而最高有效位（MSB）置 0.然后提取并檢查 LSB：如果LSB 為 1，則寄存器中的值與一個固定的預置值異或；如果LSB 為 0，則不進行異或操作。

這個過程將重復直到執(zhí)行完 8 次移位，完成最后一次（第八次）移位及相關(guān)操作后，下一個 8 位字節(jié)與寄存器的當前值異或，然后又同上面描述過的一樣重復 8 次。當所有報文中字節(jié)都預算之后得到的寄存器中的最終值，就是 CRC。

簡單代碼如下：