詳解MODBUS標準協議——下篇

Modbus具有以下幾個特點:

1、標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產品超過600種。

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

3、Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。

1 ModBus功能碼

在ModBus系統中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息 交換碼），另一種模式是RTU（遠程 終端設備）。

用戶選擇想要的模式，包括 串口通信參數（ 波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網絡，它定義了在這些網絡上連續傳輸的消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網絡上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉成與串行傳輸無關的幀。

1.傳輸模式特性：

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortran）編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于 機器語言編程的計算機和PC主機。

用RTU模式傳輸的數據是8位二進制字符。如欲轉換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉換成十六進制等量值。用以構成 報文的ASCII字符都是十六進制字符。ASCII模式使用的 字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數據的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續數據流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產生長達1s的間隔，以適應速度較慢的機器。

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網絡通信。

2.ASCII模式：

當控制器設為在Modbus網絡上以ASCII（美國標準信息交換代碼）模式通信，一個信息中的每8位字節作為2個ASCII字符傳輸，如數值63H用ASCII方式時，需發送兩個字節，即ASCII“6"（0110110）和ASCII”3“（0110011），ASCII字符占用的位數有7位和8位，國際通用7位為多。這種方式的主要優點是字符發送的時間間隔可達到1秒而不產生錯誤。

代碼系統

• 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  每個字節的位

• 1個起始位

• 7個 數據位，最小的有效位先發送

• 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)

3.RTU模式：

當控制器設為在Modbus網絡上以RTU模式通信，在消息中的每個8Bit字節按照原值傳送，不做處理，如63H，RTU將直接發送01100011。這種方式的主要優點是：數據幀傳送之間沒有間隔，相同波特率下傳輸數據的密度要比ASCII高，傳輸速度更快。

代碼系統

• 8位二進制， 十六進制數0...9，A...F

• 消息中的每個8 位域都是一或兩個十六進制字符組成

• 每個字節的位  1個起始位  8個 數據位，最小的有效位先發送

• 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）

1.CRC:

CRC域是兩個字節，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是先調入一值是全“1”的16位寄存器，然后調用一過程將消息中連續的8位字節和當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數據對CRC有效，起始位和停止位以及 奇偶校驗位均無效。

CRC產生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內容相異或（XOR），結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位字節又單獨和寄存器的當前值相異或（XOR）。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節都執行之后的CRC值。

CRC添加到消息中時，低字節先加入，然后高字節。

CRC-16錯誤校驗程序如下：報文（此處只涉及 數據位，不指起始位、停止位和任選的 奇偶校驗位）被看作是一個連續的二進制，其最高有效位（MSB）首選發送。報文先與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可以表示為二進制數11000，0000，0000，0101。整數商位忽略不記，16位余數加入該報文（MSB先發送），成為2個CRC校驗字節。余數中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經上述處理而含有CRC字節的報文，若無錯誤，到接收設備后再被同一多項式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，會得到一個零余數（接收設備核驗這個CRC字節，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運算以2為模（無進位）。

習慣于成串發送數據的設備會首選送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情況下，發送首位應是被除數的最高有效位MSB。由于在運算中不用進位，為便于操作起見，計算CRC時設MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數。

生成CRC-16校驗字節的步驟如下：

①裝如一個16位 寄存器，所有數位均為1。

②該16位寄存器的高位 字節與開始8位字節進行“異或”運算。運算結果放入這個16位寄存器。

③把這個16寄存器向右移一位。

④若向右（標記位）移出的數位是1，則生成多項式10，1000，000，0000，001和這個寄存器進行“異或”運算；若向右移出的數位是0，則返回③。

⑤重復③和④，直至移出8位。

⑥另外8位與該十六位寄存器進行“異或”運算。

⑦重復③~⑥，直至該 報文所有字節均與16位 寄存器進行“異或”運算，并移位8次。

⑧這個16位寄存器的內容即2字節CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。 另外，在某些非ModBus通信協議中也經常使用CRC16作為校驗手段，而且產生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式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簡單函數如下：

2.LRC：

LRC錯誤校驗用于ASCII模式。這個錯誤校驗是一個8位二進制數，可作為2個ASCII十六進制字節傳送。把十六進制字符轉換成二進制，加上無循環進位的二進制字符和二進制補碼結果生成LRC錯誤校驗（參見圖）。這個LRC在接收設備進行核驗，并與被傳送的LRC進行比較，冒號（：）、回車符號（CR）、換行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六進制字符在運算時忽略不計。

Modbus的協議內容是完全公開的，內容是簡單滴，實現起來是非常容易滴，單片機、PLC、DCS統統都能輕易實現。

Profibus則要復雜一些，關鍵是需要專用芯片進行二次開發，并且需要得到上級組織的認證，開發成本肯定高不少 。

當然從性能上講，基于串口的modbus rtu/ASCII通訊性能肯定比不過profibus dp，但是就一些儀表級的簡單通訊或者控制器級別的小數據量通訊，modbus是足以勝任的。說白了，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使用的是1、2、3、4、5、6號功能碼，使用它們即可實現對下位機的數字量和模擬量的讀寫操作。

1、01號命令，讀可讀寫數字量寄存器（線圈狀態）：

計算機發送命令：[設備地址] [命令號01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]

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

意義如下：

<1>設備地址：在一個485總線上可以掛接多個設備，此處的設備地址表示想和哪一個設備通訊。例子中為想和17號(十進制的17是十六進制的11)通訊。

<2>命令號01：讀取數字量的命令號固定為01。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的開關量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為19。

<4>寄存器數高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個開關量。例子中為37個開關量。

<5>CRC校驗：是從開頭一直校驗到此之前。設備響應：[設備地址] [命令號01] [返回的字節個數][數據1][數據2]...[數據n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

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

意義如下：

<1>設備地址和命令號和上面的相同。

<2>返回的字節個數：表示數據的字節個數，也就是數據1，2...n中的n的值。

<3>數據1...n：由于每一個數據是一個8位的數，所以每一個數據表示8個開關量的值，每一位為0表示對應的開關斷開，為1表示閉合。比如例子中，表示20號(索引號為19)開關閉合，21號斷開，22閉合，23閉合，24斷開，25斷開，26閉合，27閉合...如果詢問的開關量不是8的整倍數，那么最后一個字節的高位部分無意義，置為0。

<4>CRC校驗同上。

2、05號命令，寫數字量（線圈狀態）：

計算機發送命令：[設備地址] [命令號05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數據高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]

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

意義如下：

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫數字量的命令號固定為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的地址。

<4>下置的數據高8位，低8位：表明需要下置的開關量的狀態。例子中為把該開關閉合。注意，此處只可以是[FF][00]表示閉合[00][00]表示斷開，其他數值非法。

<5>注意此命令一條只能下置一個開關量的狀態。

設備響應：如果成功把計算機發送的命令原樣返回，否則不響應。

3、03號命令，讀可讀寫模擬量寄存器（保持寄存器）：

計算機發送命令：[設備地址] [命令號03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

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

意義如下：

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:讀模擬量的命令號固定為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>寄存器數高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個模擬量。例子中為3個模擬量。注意，在返回的信息中一個模擬量需要返回兩個字節。

設備響應：[設備地址] [命令號03] [返回的字節個數][數據1][數據2]...[數據n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

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

意義如下：

<1>設備地址和命令號和上面的相同。

<2>返回的字節個數：表示數據的字節個數，也就是數據1，2...n中的n的值。例子中返回了3個模擬量的數據，因為一個模擬量需要2個字節所以共6個字節。

<3>數據1...n：其中[數據1][數據2]分別是第1個模擬量的高8位和低8位，[數據3][數據4]是第2個模擬量的高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校驗同上。

4、06號命令，寫單個模擬量寄存器（保持寄存器）：

計算機發送命令：[設備地址] [命令號06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數據高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

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

意義如下：

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為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>下置的數據高8位，低8位：表明需要下置的模擬量數據。比如例子中就把1號寄存器的值設為3。

<5>注意此命令一條只能下置一個模擬量的狀態。

設備響應：如果成功把計算機發送的命令原樣返回，否則不響應。

5、16號命令，寫多個模擬量寄存器（保持寄存器）：

計算機發送命令：[設備地址] [命令號16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [數據數量高8位] [數據數量低8位] [下置的數據高8位] [低8位][……][……] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例：[11][16][00][01][00][01][00][05] [CRC高] [CRC低]

意義如下：

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為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>需下置的數據數量高8位，低8位：表明了需要下置的數據數量，這里為1。

<5>下置的數據高8位，低8位：表明需要下置的模擬量數據。比如例子中就把1號寄存器的值設為5。

設備響應：如果成功把計算機返回的如下命令，否則不響應。設備響應：[設備地址] [命令號16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [數據數量高8位] [數據數量低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]，如上例返回：[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]