Modbus通信協(xié)議
 

一、Modbus 協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如果回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。

1、在Modbus網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)。

控制器通信使用主—從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備：主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。

主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯(cuò)誤檢測(cè)域。

從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生一錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

2、在其它類型網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸

在其它網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對(duì)等技術(shù)通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨(dú)的通信過(guò)程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個(gè)內(nèi)部通道可允許同時(shí)發(fā)生的傳輸進(jìn)程。

在消息位，Modbus協(xié)議仍提供了主—從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對(duì)等”。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。

3、查詢—回應(yīng)周期

（1）查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。

（2）回應(yīng)

如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。

二、兩種傳輸方式

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

ASCII模式

RTU模式

所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。

在其它網(wǎng)絡(luò)上（象MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無(wú)關(guān)的幀。

1、ASCII模式

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。

代碼系統(tǒng)

• 十六進(jìn)制，ASCII字符0...9，A...F

• 消息中的每個(gè)ASCII字符都是一個(gè)十六進(jìn)制字符組成

每個(gè)字節(jié)的位

• 1個(gè)起始位

• 7個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

• 1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)校驗(yàn)則無(wú)

• 1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2個(gè)Bit（無(wú)校驗(yàn)時(shí)）

錯(cuò)誤檢測(cè)域

• LRC(縱向冗長(zhǎng)檢測(cè))

2、RTU模式

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

代碼系統(tǒng)

• 8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F

• 消息中的每個(gè)8位域都是一個(gè)兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成

每個(gè)字節(jié)的位

• 1個(gè)起始位

• 8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

• 1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)校驗(yàn)則無(wú)

• 1個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2個(gè)Bit（無(wú)校驗(yàn)時(shí)）

錯(cuò)誤檢測(cè)域

• CRC(循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè))

三、Modbus消息幀

兩種傳輸模式中（ASCII或RTU），傳輸設(shè)備以將Modbus消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時(shí)信息已完成。部分的消息也能偵測(cè)到并且錯(cuò)誤能設(shè)置為返回結(jié)果。

1、ASCII幀

使用ASCII模式，消息以冒號(hào)（:）字符（ASCII碼 3AH）開始，以回車換行符結(jié)束（ASCII碼 0DH,0AH）。

其它域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測(cè)“:”字符，當(dāng)有一個(gè)冒號(hào)接收到時(shí)，每個(gè)設(shè)備都解碼下個(gè)域（地址域）來(lái)判斷是否發(fā)給自己的。

消息中字符間發(fā)送的時(shí)間間隔最長(zhǎng)不能超過(guò)1秒，否則接收的設(shè)備將認(rèn)為傳輸錯(cuò)誤。一個(gè)典型消息幀如下所示：

圖2 ASCII消息幀

2、RTU幀

使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時(shí)間，這是最容易實(shí)現(xiàn)的(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。

整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如下所示：

圖3 RTU消息幀

3、地址域

消息幀的地址域包含兩個(gè)字符（ASCII）或8Bit（RTU）?？赡艿膹脑O(shè)備地址是0...247 (十進(jìn)制)。單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1...247。主設(shè)備通過(guò)將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來(lái)選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出回應(yīng)。

地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。當(dāng)Modbus協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。

4、如何處理功能域

消息幀中的功能代碼域包含了兩個(gè)字符（ASCII）或8Bits（RTU）?？赡艿拇a范圍是十進(jìn)制的1...255。當(dāng)然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應(yīng)用于某種控制器，還有些保留以備后用。

當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為。例如去讀取輸入的開關(guān)狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗(yàn)在從設(shè)備中的程序等。

當(dāng)從設(shè)備回應(yīng)時(shí)，它使用功能代碼域來(lái)指示是正常回應(yīng)(無(wú)誤)還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生（稱作異議回應(yīng)）。對(duì)正?；貞?yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng)，從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼，但最重要的位置為邏輯1。

例如：一從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼：

0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制03H）

對(duì)正常回應(yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)同樣的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng)，它返回：

1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制83H）

除功能代碼因異議錯(cuò)誤作了修改外，從設(shè)備將一*的代碼放到回應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯(cuò)誤。

主設(shè)備應(yīng)用程序得到異議的回應(yīng)后，典型的處理過(guò)程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設(shè)備的消息并報(bào)告給操作員。

5、數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域是由兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)集合構(gòu)成的，范圍00...FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，這可以是由一對(duì)ASCII字符組成或由一RTU字符組成。

從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的所為。這包括了象不連續(xù)的寄存器地址，要處理項(xiàng)的數(shù)目，域中實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼03），數(shù)據(jù)域起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。如果主設(shè)備寫一組從設(shè)備的寄存器（功能代碼10十六進(jìn)制），數(shù)據(jù)域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數(shù)量，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。

如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，從從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來(lái)判斷采取下一步行動(dòng)。

在某種消息中數(shù)據(jù)域可以是不存在的（0長(zhǎng)度）。例如，主設(shè)備要求從設(shè)備回應(yīng)通信事件記錄（功能代碼0B十六進(jìn)制），從設(shè)備不需任何附加的信息。

6、錯(cuò)誤檢測(cè)域

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)有兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容視所選的檢測(cè)方法而定。

ASCII

當(dāng)選用ASCII模式作字符幀，錯(cuò)誤檢測(cè)域包含兩個(gè)ASCII字符。這是使用LRC（縱向冗長(zhǎng)檢測(cè)）方法對(duì)消息內(nèi)容計(jì)算得出的，不包括開始的冒號(hào)符及回車換行符。LRC字符附加在回車換行符前面。

RTU

當(dāng)選用RTU模式作字符幀，錯(cuò)誤檢測(cè)域包含一16Bits值(用兩個(gè)8位的字符來(lái)實(shí)現(xiàn))。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容是通過(guò)對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時(shí)先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個(gè)字節(jié)。

7、字符的連續(xù)傳輸

當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，每個(gè)字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：有效位...最高有效位

使用ASCII字符幀時(shí)，位的序列是：

有奇偶校驗(yàn)

無(wú)奇偶校驗(yàn)

圖4. 位順序（ASCII）

使用RTU字符幀時(shí)，位的序列是：

有奇偶校驗(yàn)

無(wú)奇偶校驗(yàn)

圖4. 位順序（RTU）

四、錯(cuò)誤檢測(cè)方法

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法。奇偶校驗(yàn)對(duì)每個(gè)字符都可用，幀檢測(cè)（LRC或CRC）應(yīng)用于整個(gè)消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的，從設(shè)備在接收過(guò)程中檢測(cè)每個(gè)字符和整個(gè)消息幀。

用戶要給主設(shè)備配置一預(yù)先定義的超時(shí)時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔要足夠長(zhǎng)，以使任何從設(shè)備都能作為正常反應(yīng)。如果從設(shè)備測(cè)到一傳輸錯(cuò)誤，消息將不會(huì)接收，也不會(huì)向主設(shè)備作出回應(yīng)。這樣超時(shí)事件將觸發(fā)主設(shè)備來(lái)處理錯(cuò)誤。發(fā)往不存在的從設(shè)備的地址也會(huì)產(chǎn)生超時(shí)。

1、奇偶校驗(yàn)

用戶可以配置控制器是奇或偶校驗(yàn)，或無(wú)校驗(yàn)。這將決定了每個(gè)字符中的奇偶校驗(yàn)位是如何設(shè)置的。

如果奇或偶校驗(yàn)，“1”的位數(shù)將算到每個(gè)字符的位數(shù)中（ASCII模式7個(gè)數(shù)據(jù)位，RTU中8個(gè)數(shù)據(jù)位）。例如RTU字符幀中包含以下8個(gè)數(shù)據(jù)位：

1 1 0 0 0 1 0 1

整個(gè)“1”的數(shù)目是4個(gè)。如果便用了偶校驗(yàn)，幀的奇偶校驗(yàn)位將是0，便得整個(gè)“1”的個(gè)數(shù)仍是4個(gè)。如果便用了奇校驗(yàn)，幀的奇偶校驗(yàn)位將是1，便得整個(gè)“1”的個(gè)數(shù)是5個(gè)。

如果沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位，傳輸時(shí)就沒(méi)有校驗(yàn)位，也不進(jìn)行校驗(yàn)檢測(cè)。代替一附加的停止位填充至要傳輸?shù)淖址麕小?/p>

2、LRC檢測(cè)

使用ASCII模式，消息包括了一基于LRC方法的錯(cuò)誤檢測(cè)域。LRC域檢測(cè)了消息域中除開始的冒號(hào)及結(jié)束的回車換行號(hào)外的內(nèi)容。

LRC域是一個(gè)包含一個(gè)8位二進(jìn)制值的字節(jié)。LRC值由傳輸設(shè)備來(lái)計(jì)算并放到消息幀中，接收設(shè)備在接收消息的過(guò)程中計(jì)算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說(shuō)明有錯(cuò)誤。

LRC方法是將消息中的8Bit的字節(jié)連續(xù)累加，丟棄了進(jìn)位。