一、Modbus協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此Modbus協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了Modbus協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。

Modbus通信協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當在Modbus網(wǎng)絡上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

1.1、在Modbus網(wǎng)絡上傳輸

標準的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。

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

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

從設備回應消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設備不能執(zhí)行其命令，從設備將建立一錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。

1.2、modbus在其它類型網(wǎng)絡上傳輸

在其它網(wǎng)絡上，控制器使用對等技術(shù)通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。

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

1.3、Modbus查詢——回應周期

（1）Modbus查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設備要執(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備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

（2）Modbus回應

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

二、Modbus協(xié)議的兩種傳輸方式

控制器能設置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

所選的ASCII或RTU傳輸方式僅適用于標準的Modbus網(wǎng)絡，Modbus定義了在這些網(wǎng)絡上連續(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)絡上（象MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。

2.1、ASCII傳輸模式

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡上以ASCII（美國標準信息交換代碼）模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。

代碼系統(tǒng)

十六進制，ASCII字符0...9，A...F

消息中的每個ASCII字符都是一個十六進制字符組成

每個字節(jié)的位

1個起始位

7個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

1個奇偶校驗位，無校驗則無

1個停止位(有校驗時),2個Bit(無校驗時)

錯誤檢測域

LRC(縱向冗長檢測)

2.2、RTU傳輸模式

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡上以RTU模式（遠程終端單元）通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：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位二進制，十六進制數(shù)0...9，A...F

消息中的每個8位域都是一個兩個十六進制字符組成

每個字節(jié)的位

1個起始位

8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

1個奇偶校驗位，無校驗則無

1個停止位(有校驗時),2個Bit(無校驗時)

錯誤檢測域

CRC(循環(huán)冗長檢測)

三、Modbus協(xié)議消息幀

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

　　3.1、ASCII幀

使用ASCII模式，消息以冒號（:）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制的0...9,A...F。網(wǎng)絡上的設備不斷偵測“:”字符，當有一個冒號接收到時，每個設備都解碼下個域（地址域）來判斷是否發(fā)給自己的。

消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1秒，否則接收的設備將認為傳輸錯誤。一個典型消息幀如下所示：

?

?

　　圖2 ASCII消息幀

　　3.2、RTU幀

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

整個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1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤，因為在最后的CRC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

3.3、地址域

消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8Bit（RTU）?？赡艿膹脑O備地址是0...247 (十進制)。單個設備的地址范圍是1...247。主設備通過將要聯(lián)絡的從設備的地址放入消息中的地址域來選通從設備。當從設備發(fā)送回應消息時，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個設備作出回應。

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

3.4、如何處理modbus功能域

消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII）或8Bits（RTU）。可能的代碼范圍是十進制的1...255。當然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應用于某種控制器，還有些保留以備后用。

當消息從主設備發(fā)往從設備時，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O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，讀從設備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗在從設備中的程序等。

當從設備回應時，它使用功能代碼域來指示是正常回應(無誤)還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異議回應）。對正常回應，從設備僅回應相應的功能代碼。對異議回應，從設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：一從主設備發(fā)往從設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 （十六進制03H）

對正?；貞?，從設備僅回應同樣的功能代碼。對異議回應，它返回：1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制83H）

除功能代碼因異議錯誤作了修改外，從設備將一獨特的代碼放到回應消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設備發(fā)生了什么錯誤。

主設備應用程序得到異議的回應后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設備的消息并報告給操作員。

3.5、數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域是由兩個十六進制數(shù)集合構(gòu)成的，范圍00...FF。根據(jù)網(wǎng)絡傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由一RTU字符組成。

從主設備發(fā)給從設備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設備必須用于進行執(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，要處理項的數(shù)目，域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

例如，如果主設備需要從設備讀取一組保持寄存器（功能代碼03），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。如果主設備寫一組從設備的寄存器（功能代碼10十六進制），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)。

如果沒有錯誤發(fā)生，從從設備返回的數(shù)據(jù)域包含請求的數(shù)據(jù)。如果有錯誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設備應用程序可以用來判斷采取下一步行動。

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

3.6、錯誤檢測域

標準的Modbus網(wǎng)絡有兩種錯誤檢測方法。錯誤檢測域的內(nèi)容視所選的檢測方法而定。

ASCII模式：

當選用ASCII模式作字符幀，錯誤檢測域包含兩個ASCII字符。這是使用LRC（縱向冗長檢測）方法對消息內(nèi)容計算得出的，不包括開始的冒號符及回車換行符。LRC字符附加在回車換行符前面。

RTU模式：

當選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16Bits值(用兩個8位的字符來實現(xiàn))。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié)。

3.7、字符的連續(xù)傳輸

當消息在標準的Modbus系列網(wǎng)絡傳輸時，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：

最低有效位...最高有效位

使用ASCII字符幀時，位的序列是：

圖4. 位順序（ASCII）

使用RTU字符幀時，位的序列是：

圖4. 位順序（RTU）

四、錯誤檢測方法

?標準的Modbus串行網(wǎng)絡采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測（LRC或CRC）應用于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設備產(chǎn)生的，從設備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。用戶要給主設備配置一預先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設備都能作為正常反應。如果從設備測到一傳輸錯誤，消息將不會接收，也不會向主設備作出回應。這樣超時事件將觸發(fā)主設備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設備的地址也會產(chǎn)生超時。

4.1、奇偶校驗

用戶可以配置控制器是奇或偶校驗，或無校驗。這將決定了每個字符中的奇偶校驗位是如何設置的。

如果指定了奇或偶校驗，“1”的位數(shù)將算到每個字符的位數(shù)中（ASCII模式7個數(shù)據(jù)位，RTU中8個數(shù)據(jù)位）。例如RTU字符幀中包含以下8個數(shù)據(jù)位：1 1 0 0 0 1 0 1

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

如果沒有指定奇偶校驗位，傳輸時就沒有校驗位，也不進行校驗檢測。代替一附加的停止位填充至要傳輸?shù)淖址麕小?/p>

4.2、LRC檢測

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

LRC域是一個包含一個8位二進制值的字節(jié)。LRC值由傳輸設備來計算并放到消息幀中，接收設備在接收消息的過程中計算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說明有錯誤。

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

LRC簡單函數(shù)如下：

///C代碼

static unsigned char LRC(auchMsg,usDataLen)

unsigned char *auchMsg ; /* 要進行計算的消息 */

unsigned short usDataLen ; /* LRC 要處理的字節(jié)的數(shù)量*/

{

unsigned char uchLRC = 0 ; /* LRC 字節(jié)初始化 */

while (usDataLen--) /* 傳送消息 */

uchLRC += *auchMsg++ ; /* 累加*/

return ((unsigned char)(-((char_uchLRC))) ;

}

4.3、CRC檢測

使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的錯誤檢測域。CRC域檢測了整個消息的內(nèi)容。

CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。

CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內(nèi)容相或（OR），結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。

CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。

審核編輯：黃飛