Modbus通讯协议

 

　　Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化(Schneider Automation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

 

　　当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。

 

　　Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

 

　　Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。

 

　　下面我来简单的给大家介绍一下，对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，我们只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。所以在这里我仅介绍一下Modbus的ASCII和RTU协议。

 

　　下表是ASCII协议和RTU协议进行的比较：

协议

开始标记

结束标记

校验

传输效率

程序处理

 

 

ASCII

:（冒号）

CR,LF

LRC

低

直观，简单，易调试

 

RTU

无

无

CRC

高

不直观，稍复杂

 

　　通过比较可以看到，ASCII协议和RTU协议相比拥有开始和结束标记，因此在进行程序处理时能更加方便，而且由于传输的都是可见的ASCII字符，所以进行调试时就更加的直观，另外它的LRC校验也比较容易。但是因为它传输的都是可见的ASCII字符，RTU传输的数据每一个字节ASCII都要用两个字节来传输，比如RTU传输一个十六进制数0xF9,ASCII就需要传输’F’’9’的ASCII码0x39和0x46两个字节，这样它的传输的效率就比较低。所以一般来说，如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用ASCII协议，如果所需传输的数据量比较大，最好能使用RTU协议。

 

　　下面对两种协议的校验进行一下介绍。

 

　　1、LRC校验

　　LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有错误。

LRC校验比较简单，它在ASCII协议中使用，检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。它仅仅是把每一个需要传输的数据按字节叠加后取反加1即可。下面是它的VC代码：

BYTE GetCheckCode(const char * pSendBuf, int nEnd)//获得校验码

{

BYTE byLrc = 0;

char pBuf[4];

int nData = 0;

for(i=1; i<end; i+=2) //i初始为1，避开“开始标记”冒号

{

//每两个需要发送的ASCII码转化为一个十六进制数

pBuf [0] = pSendBuf [i];

pBuf [1] = pSendBuf [i+1];

pBuf [2] = '\0';

sscanf(pBuf,"%x",& nData);

byLrc += nData;

}

byLrc = ~ byLrc;

byLrc ++;

return byLrc;

}

　　2、CRC校验

　　CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。

 

　　CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。

 

　　CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或（OR），结果向最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位（第8位）完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。

 

　　CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。下面是它的VC代码：

WORD GetCheckCode(const char * pSendBuf, int nEnd)//获得校验码

{

WORD wCrc = WORD(0xFFFF);

for(int i=0; i<nEnd; i++)

{

wCrc ^= WORD(BYTE(pSendBuf[i]));

for(int j=0; j<8; j++)

{

if(wCrc & 1)

{

wCrc >>= 1;

wCrc ^= 0xA001;

}

else

{

wCrc >>= 1;

}

}

}

return wCrc;

}

　　对于一条RTU协议的命令可以简单的通过以下的步骤转化为ASCII协议的命令：

　　1、 把命令的CRC校验去掉，并且计算出LRC校验取代。

 

        2、 把生成的命令串的每一个字节转化成对应的两个字节的ASCII码，比如0x03转化成0x30,0x33（0的ASCII码和3的ASCII码）。

　　3、 在命令的开头加上起始标记“:”，它的ASCII码为0x3A。

　　4、 在命令的尾部加上结束标记CR,LF（0xD,0xA），此处的CR,LF表示回车和换行的ASCII码。

所以以下我们仅介绍RTU协议即可，对应的ASCII协议可以使用以上的步骤来生成。

下表是Modbus支持的功能码：

 

 

功能码

名称

作用

 

 

01

读取线圈状态

取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)

 

02

读取输入状态

取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF)

 

03

读取保持寄存器

在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值

 

04

读取输入寄存器

在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值

 

05

强置单线圈

强置一个逻辑线圈的通断状态

 

06

预置单寄存器

把具体二进值装入一个保持寄存器

 

07

读取异常状态

取得8个内部线圈的通断状态，这8个线圈的地址由控制器决定

 

08

回送诊断校验

把诊断校验报文送从机，以对通信处理进行评鉴

 

09

编程（只用于484）

使主机模拟编程器作用，修改PC从机逻辑

 

10

控询（只用于484）

可使主机与一台正在执行长程序任务从机通信，探询该从机是否已完成其操作任务，仅在含有功能码9的报文发送后，本功能码才发送

 

11

读取事件计数

可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其是该命令或其他应答产生通信错误时

 

12

读取通信事件记录

可是主机检索每台从机的ModBus事务处理通信事件记录。如果某项事务处理完成，记录会给出有关错误

 

13

编程（184/384 484 584）

可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑

 

14

探询（184/384 484 584）

可使主机与正在执行任务的从机通信，定期控询该从机是否已完成其程序操作，仅在含有功能13的报文发送后，本功能码才得发送

 

15

强置多线圈

强置一串连续逻辑线圈的通断

 

16

预置多寄存器

把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器

 

17

报告从机标识

可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态

 

18

（884和MICRO 84）

可使主机模拟编程功能，修改PC状态逻辑

 

19

重置通信链路

发生非可修改错误后，是从机复位于已知状态，可重置顺序字节

 

20

读取通用参数（584L）

显示扩展存储器文件中的数据信息

 

21

写入通用参数（584L）

把通用参数写入扩展存储文件，或修改之

 

22～64

保留作扩展功能备用

 

 

65～72

保留以备用户功能所用

留作用户功能的扩展编码

 

73～119

非法功能

 

 

120～127

保留

留作内部作用

 

128～255

保留

用于异常应答

 

　　在这些功能码中较长使用的是1、2、3、4、5、6号功能码，使用它们即可实现对下位机的数字量和模拟量的读写操作。

 

　　1、读可读写数字量寄存器（线圈状态）：

　　计算机发送命令：[设备地址] [命令号01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址：在一个485总线上可以挂接多个设备，此处的设备地址表示想和哪一个设备通讯。例子中为想和17号(十进制的17是十六进制的11)通讯。

<2>命令号01：读取数字量的命令号固定为01。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的开关量的起始地址(起始地址为0)。比如例子中的起始地址为19。

<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个开关量。例子中为37个开关量。

<5>CRC校验：是从开头一直校验到此之前。在此协议的最后再作介绍。此处需要注意，CRC校验在命令中的高低字节的顺序和其他的相反。

设备响应：[设备地址] [命令号01] [返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n][CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址和命令号和上面的相同。

<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1，2...n中的n的值。

<3>数据1...n：由于每一个数据是一个8位的数，所以每一个数据表示8个开关量的值，每一位为0表示对应的开关断开，为1表示闭合。比如例子中，表示20号(索引号为19)开关闭合，21号断开，22闭合，23闭合，24断开，25断开，26闭合，27闭合...如果询问的开关量不是8的整倍数，那么最后一个字节的高位部分无意义，置为0。

<4>CRC校验同上。

 

　　2、读只可读数字量寄存器（输入状态）：

　　和读取线圈状态类似，只是第二个字节的命令号不再是1而是2。

 

　　3、写数字量（线圈状态）：

　　计算机发送命令：[设备地址] [命令号05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的数据高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写数字量的命令号固定为05。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的开关的地址。

<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的开关量的状态。例子中为把该开关闭合。注意，此处只可以是[FF][00]表示闭合[00][00]表示断开，其他数值非法。

 

<5>注意此命令一条只能下置一个开关量的状态。

设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。

 

　　4、读可读写模拟量寄存器（保持寄存器）：

　　计算机发送命令：[设备地址] [命令号03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

 

 

 

例：[11][03][00][6B][00][03][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:读模拟量的命令号固定为03。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的模拟量的起始地址(起始地址为0)。比如例子中的起始地址为107。

<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个模拟量。例子中为3个模拟量。注意，在返回的信息中一个模拟量需要返回两个字节。

　　设备响应：[设备地址] [命令号03] [返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n][CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址和命令号和上面的相同。

<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1，2...n中的n的值。例子中返回了3个模拟量的数据，因为一个模拟量需要2个字节所以共6个字节。

<3>数据1...n：其中[数据1][数据2]分别是第1个模拟量的高8位和低8位，[数据3][数据4]是第2个模拟量的高8位和低8位，以此类推。例子中返回的值分别是555，0，100。

<4>CRC校验同上。

　　5、读只可读模拟量寄存器（输入寄存器）：

　　和读取保存寄存器类似，只是第二个字节的命令号不再是2而是4。

　　6、写单个模拟量寄存器（保持寄存器）：

　　计算机发送命令：[设备地址] [命令号06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的数据高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][06][00][01][00][03][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写模拟量的命令号固定为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拟量寄存器的地址。

<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为3。

<5>注意此命令一条只能下置一个模拟量的状态。

设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。