詳解MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議——下篇

Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1、標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過(guò)400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過(guò)600種。

2、Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等。

3、Modbus的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡(jiǎn)單。

1 ModBus功能碼

在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機(jī)PC通信的能力是同等的。選擇時(shí)應(yīng)視所用ModBus主機(jī)而定，每個(gè)ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國(guó)信息 交換碼），另一種模式是RTU（遠(yuǎn)程 終端設(shè)備）。

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)。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（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無(wú)關(guān)的幀。

1.傳輸模式特性：

ASCII可打印字符便于故障檢測(cè)，而且對(duì)于用高級(jí)語(yǔ)言（如Fortran）編程的主計(jì)算機(jī)及主PC很適宜。RTU則適用于 機(jī)器語(yǔ)言編程的計(jì)算機(jī)和PC主機(jī)。

用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式，則每個(gè)RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制等量值。用以構(gòu)成 報(bào)文的ASCII字符都是十六進(jìn)制字符。ASCII模式使用的 字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時(shí)報(bào)文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產(chǎn)生長(zhǎng)達(dá)1s的間隔，以適應(yīng)速度較慢的機(jī)器。

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。

2.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，一個(gè)信息中的每8位字節(jié)作為2個(gè)ASCII字符傳輸，如數(shù)值63H用ASCII方式時(shí)，需發(fā)送兩個(gè)字節(jié)，即ASCII“6"（0110110）和ASCII”3“（0110011），ASCII字符占用的位數(shù)有7位和8位，國(guó)際通用7位為多。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))

3.RTU模式：

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)按照原值傳送，不做處理，如63H，RTU將直接發(fā)送01100011。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒(méi)有間隔，相同波特率下傳輸數(shù)據(jù)的密度要比ASCII高，傳輸速度更快。

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 位域都是一或兩個(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)）

1.CRC:

CRC域是兩個(gè)字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)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(guò)程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)和當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個(gè)字符中的8Bit數(shù)據(jù)對(duì)CRC有效，起始位和停止位以及 奇偶校驗(yàn)位均無(wú)效。

CRC產(chǎn)生過(guò)程中，每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相異或（XOR），結(jié)果向最低有效位方向移動(dòng)，最高有效位以0填充。LSB被提取出來(lái)檢測(cè)，如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相異或（XOR）。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(shí)，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。

CRC-16錯(cuò)誤校驗(yàn)程序如下：報(bào)文（此處只涉及 數(shù)據(jù)位，不指起始位、停止位和任選的 奇偶校驗(yàn)位）被看作是一個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制，其最高有效位（MSB）首選發(fā)送。報(bào)文先與X↑16相乘（左移16位），然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進(jìn)制數(shù)11000，0000，0000，0101。整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報(bào)文（MSB先發(fā)送），成為2個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報(bào)文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報(bào)文，若無(wú)錯(cuò)誤，到接收設(shè)備后再被同一多項(xiàng)式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，會(huì)得到一個(gè)零余數(shù)（接收設(shè)備核驗(yàn)這個(gè)CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運(yùn)算以2為模（無(wú)進(jìn)位）。

習(xí)慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備會(huì)首選送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情況下，發(fā)送首位應(yīng)是被除數(shù)的最高有效位MSB。由于在運(yùn)算中不用進(jìn)位，為便于操作起見，計(jì)算CRC時(shí)設(shè)MSB在最右位。生成多項(xiàng)式的位序也必須反過(guò)來(lái)，以保持一致。多項(xiàng)式的MSB略去不記，因其只對(duì)商有影響而不影響余數(shù)。

生成CRC-16校驗(yàn)字節(jié)的步驟如下：

①裝如一個(gè)16位 寄存器，所有數(shù)位均為1。

②該16位寄存器的高位 字節(jié)與開始8位字節(jié)進(jìn)行“異或”運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果放入這個(gè)16位寄存器。

③把這個(gè)16寄存器向右移一位。

④若向右（標(biāo)記位）移出的數(shù)位是1，則生成多項(xiàng)式10，1000，000，0000，001和這個(gè)寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算；若向右移出的數(shù)位是0，則返回③。

⑤重復(fù)③和④，直至移出8位。

⑥另外8位與該十六位寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算。

⑦重復(fù)③~⑥，直至該 報(bào)文所有字節(jié)均與16位 寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算，并移位8次。

⑧這個(gè)16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)，被加到報(bào)文的最高有效位。 另外，在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗(yàn)手段，而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項(xiàng)式X↑16+X↑15+X↑2+1，單首次裝入的16位寄存器為0000；使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。CRC簡(jiǎn)單函數(shù)如下：

2.LRC：

LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)用于ASCII模式。這個(gè)錯(cuò)誤校驗(yàn)是一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，可作為2個(gè)ASCII十六進(jìn)制字節(jié)傳送。把十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，加上無(wú)循環(huán)進(jìn)位的二進(jìn)制字符和二進(jìn)制補(bǔ)碼結(jié)果生成LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)（參見圖）。這個(gè)LRC在接收設(shè)備進(jìn)行核驗(yàn)，并與被傳送的LRC進(jìn)行比較，冒號(hào)（：）、回車符號(hào)（CR）、換行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六進(jìn)制字符在運(yùn)算時(shí)忽略不計(jì)。

Modbus的協(xié)議內(nèi)容是完全公開的，內(nèi)容是簡(jiǎn)單滴，實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常容易滴，單片機(jī)、PLC、DCS統(tǒng)統(tǒng)都能輕易實(shí)現(xiàn)。

Profibus則要復(fù)雜一些，關(guān)鍵是需要專用芯片進(jìn)行二次開發(fā)，并且需要得到上級(jí)組織的認(rèn)證，開發(fā)成本肯定高不少 。

當(dāng)然從性能上講，基于串口的modbus rtu/ASCII通訊性能肯定比不過(guò)profibus dp，但是就一些儀表級(jí)的簡(jiǎn)單通訊或者控制器級(jí)別的小數(shù)據(jù)量通訊，modbus是足以勝任的。說(shuō)白了，就是modbus是*絲，profibus是高富帥！

功能碼命令詳解：

在這些功能碼中較長(zhǎng)使用的是1、2、3、4、5、6號(hào)功能碼，使用它們即可實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的數(shù)字量和模擬量的讀寫操作。

1、01號(hào)命令，讀可讀寫數(shù)字量寄存器（線圈狀態(tài)）：

計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)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(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)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(gè)485總線上可以掛接多個(gè)設(shè)備，此處的設(shè)備地址表示想和哪一個(gè)設(shè)備通訊。例子中為想和17號(hào)(十進(jìn)制的17是十六進(jìn)制的11)通訊。

<2>命令號(hào)01：讀取數(shù)字量的命令號(hào)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(gè)開關(guān)量。例子中為37個(gè)開關(guān)量。

<5>CRC校驗(yàn)：是從開頭一直校驗(yàn)到此之前。設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號(hào)01] [返回的字節(jié)個(gè)數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n] [CRC校驗(yàn)的高8位] [CRC校驗(yàn)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(hào)和上面的相同。

<2>返回的字節(jié)個(gè)數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)8位的數(shù)，所以每一個(gè)數(shù)據(jù)表示8個(gè)開關(guān)量的值，每一位為0表示對(duì)應(yīng)的開關(guān)斷開，為1表示閉合。比如例子中，表示20號(hào)(索引號(hào)為19)開關(guān)閉合，21號(hào)斷開，22閉合，23閉合，24斷開，25斷開，26閉合，27閉合...如果詢問(wèn)的開關(guān)量不是8的整倍數(shù)，那么最后一個(gè)字節(jié)的高位部分無(wú)意義，置為0。

<4>CRC校驗(yàn)同上。

2、05號(hào)命令，寫數(shù)字量（線圈狀態(tài)）：

計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)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(yàn)的低8位] [CRC校驗(yàn)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(hào):寫數(shù)字量的命令號(hào)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(gè)開關(guān)量的狀態(tài)。

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

3、03號(hào)命令，讀可讀寫模擬量寄存器（保持寄存器）：

計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)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(yàn)的高8位] [CRC校驗(yàn)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(hào):讀模擬量的命令號(hào)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(gè)模擬量。例子中為3個(gè)模擬量。注意，在返回的信息中一個(gè)模擬量需要返回兩個(gè)字節(jié)。

設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號(hào)03] [返回的字節(jié)個(gè)數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n] [CRC校驗(yàn)的高8位] [CRC校驗(yàn)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(hào)和上面的相同。

<2>返回的字節(jié)個(gè)數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)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(gè)模擬量的數(shù)據(jù)，因?yàn)橐粋€(gè)模擬量需要2個(gè)字節(jié)所以共6個(gè)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(gè)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(gè)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(yàn)同上。

4、06號(hào)命令，寫單個(gè)模擬量寄存器（保持寄存器）：

計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)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(yàn)的高8位] [CRC校驗(yàn)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(hào):寫模擬量的命令號(hào)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(hào)寄存器的值設(shè)為3。

<5>注意此命令一條只能下置一個(gè)模擬量的狀態(tài)。

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

5、16號(hào)命令，寫多個(gè)模擬量寄存器（保持寄存器）：

計(jì)算機(jī)發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號(hào)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(yàn)的高8位] [CRC校驗(yàn)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(hào):寫模擬量的命令號(hào)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(hào)寄存器的值設(shè)為5。

設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計(jì)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(hào)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(yàn)的高8位] [CRC校驗(yàn)的低8位]，如上例返回：[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]