詳解MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議——上篇

1.基本概念:

MODBUS 是MODICON公司（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）最先倡導(dǎo)的一種軟的通訊規(guī)約，經(jīng)過大多數(shù)公司  的實際應(yīng)用，逐漸被認可，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的通訊規(guī)約，只要按照這種規(guī)約進行 數(shù)據(jù)通訊或傳輸，不同的系統(tǒng)就可以通訊。目前，在RS232/RS485通訊過程中， 更是廣泛采用這種規(guī)約。

常用的MODBUS 通訊規(guī)約有兩種，一種是MODBUS ASCII，一種是MODBUS RTU。 一般來說，通訊數(shù)據(jù)量少而且主要是文本的通訊則采用MODBUS ASCII規(guī)約，通訊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大而且是二進制數(shù)值時，多采用MODBUS RTU規(guī)約。

在實際的應(yīng)用過程中，為了解決某一個特殊問題，人們喜歡自己修改MODBUS規(guī)約來滿足自己的需要（事實上，人們經(jīng)常使用自己定義的規(guī)約來通訊，這樣能解決問題，但不太規(guī)范）。更為普通的用法是，少量修改規(guī)約，但將規(guī)約格式附在軟件說明書一起，或直接放在幫助中，這樣就方便了用戶的通訊。

2.MODBUS協(xié)議簡述：

ACRXXXE系列儀表使用的是MODBUS-RTU通訊協(xié)議，MODBUS協(xié)議詳細定義了校驗碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。MODBUS協(xié)議在一根通訊線上 使用主從應(yīng)答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。首先，主計算機的信號尋址到一臺唯一的終端設(shè)備（從機），然 后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號以相反的方向傳輸給主機。

MODBUS協(xié)議只允許在主機（PC，PLC等）和終端設(shè)備之間通訊，而不允許獨立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各終端設(shè)備不會在它們初始化時占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達本機的查詢信號。

3.查詢—回應(yīng)周期：

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。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

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)：如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生， 功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)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(shè)備確認消息內(nèi)容是否可用。

4.傳輸方式：

傳輸方式是指一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則，下面定義了與MODBUS 協(xié)議– RTU方式相兼容的傳輸方式。

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

·  無奇偶校驗位

·  1個停止位

錯誤檢測(Error checking)：CRC（循環(huán)冗余校驗）

5.協(xié)議

當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達終端設(shè)備時， 它通過一個簡單的“端口”進入被尋址到的設(shè)備，該設(shè)備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒有錯誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請求的任務(wù)，然后，它將自己 生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請求數(shù)據(jù)(Data)和一個校驗碼(Check)。發(fā)生任何錯誤都不會有成功的響應(yīng)，或者返回一個錯誤指示幀。

6.數(shù)據(jù)幀格式

7.地址（Address）域

地址域在幀的開始部分，由 一個字節(jié)（8位二進制碼）組成，十進制為0～255，在我們的系統(tǒng)中只使用1~247,其它地址保留。這些位標(biāo)明了用戶指定的終端設(shè)備的地址，該設(shè)備將接 收來自與之相連的主機數(shù)據(jù)。每個終端設(shè)備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)終端發(fā)送回一個響應(yīng)，響應(yīng)中的從機地址數(shù)據(jù) 便告訴了主機哪臺終端正與之進行通信。

8.功能（Function）域

功能域代碼告訴了被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。下表列出了該系列儀表用到的功能碼，以及它們的意義和功能。

9.數(shù)據(jù)(Data)域

數(shù)據(jù)域包含了終端執(zhí)行特定 功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者設(shè)置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個寄存器，數(shù)據(jù)域則需要 指明從哪個寄存器開始及讀取多少個數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌的地址和數(shù)據(jù)依照類型和從機之間的不同內(nèi)容而有所不同。

10.錯誤校驗(Check)域

該域允許主機和終端檢查傳 輸過程中的錯誤。有時，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備時在線路上可能會發(fā)生一些改變，出錯校驗?zāi)軌虮ＷC主機或者終端不去響 應(yīng)那些傳輸過程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率，錯誤校驗使用了16位循環(huán)冗余的方法（CRC16）。

11.錯誤檢測的方法

錯誤校驗（CRC）域占用兩個字節(jié)，包含了一個16位的二進制值。CRC值由傳輸設(shè)備計算出來，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時重新計算CRC值，然后與接收到的CRC域中的值進行比較，如果這兩個值不相等，就發(fā)生了錯誤。

CRC運算時，首先將一個 16位的寄存器預(yù)置為全1，然后連續(xù)把數(shù)據(jù)幀中的每個字節(jié)中的8位與該寄存器的當(dāng)前值進行運算，僅僅每個字節(jié)的8個數(shù)據(jù)位參與生成CRC，起始位和終止位 以及可能使用的奇偶位都不影響CRC。在生成CRC時，每個字節(jié)的8位與寄存器中的內(nèi)容進行異或，然后將結(jié)果向低位移位，高位則用“0”補充，最低位 （LSB）移出并檢測，如果是1，該寄存器就與一個預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進行一次異或運算，如果最低位為0，不作任何處理。

上述處理重復(fù)進行，直到執(zhí)行完了8次移位操作，當(dāng)最后一位（第8位）移完以后，下一個8位字節(jié)與寄存器的當(dāng)前值進行異或運算，同樣進行上述的另一個8次移位異或操作，當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的所有字節(jié)都作了處理，生成的最終值就是CRC值。

12.生成一個CRC的流程為：

1、預(yù)置一個16位寄存器為0FFFFH（全1），稱之為CRC寄存器。

2 、把數(shù)據(jù)幀中的第一個字節(jié)的8位與CRC寄存器中的低字節(jié)進行異或運算，結(jié)果存回CRC寄存器。

3、將CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測。

4 、如果最低位為0：重復(fù)第三步（下一次移位）；如果最低位為1：將CRC寄存器與一個預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進行異或運算。

5、重復(fù)第三步和第四步直到8次移位。這樣處理完了一個完整的八位。

6 、重復(fù)第2步到第5步來處理下一個八位，直到所有的字節(jié)處理結(jié)束。

7、最終CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外還有一種利用預(yù)設(shè)的表格計算CRC的方法，它的主要特點是計算速度快，但是表格需要較大的存儲空間，該方法此處不再贅述，請參閱相關(guān)資料。

13.通訊應(yīng)用格式祥解

本節(jié)所舉實例將盡可能的使用如圖所示的格式，（數(shù)字為16進制）。

Addr：從機地址

Fun：功能碼

Data start reg hi：數(shù)據(jù)起始地址 寄存器高字節(jié)

Data start reg lo：數(shù)據(jù)起始地址 寄存器低字節(jié)

Data #of reg hi：數(shù)據(jù)讀取個數(shù) 寄存器高字節(jié)

Data #of reg lo：數(shù)據(jù)讀取個數(shù) 寄存器低字節(jié)

CRC16 Hi: 循環(huán)冗余校驗 高字節(jié)

CRC16 Lo: 循環(huán)冗余校驗 低字節(jié)

14.讀數(shù)據(jù)（功能碼03）

l    查詢數(shù)據(jù)幀

此功能允許用戶獲得設(shè)備采集與記錄的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。主機一次請求的數(shù)據(jù)個數(shù)沒有限制，但不能超出定義的地址范圍。

下面的例子是從01號從機讀3個采集到的基本數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)幀中每個地址占用2個字節(jié)）UA、UB、UC，其中UA的地址為0025H, UB的地址為0026H, UC的地址為0027H。

l    響應(yīng)數(shù)據(jù)幀

響應(yīng)包含從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC錯誤校驗。

下面的例子是讀取UA、UB、UC (UA=082CH，UB=082AH，UC=082CH的響應(yīng)。

l  錯誤指示碼

如果主機請求的地址不存在則返回錯誤指示碼：FFH。