Modbus协议学习总结

 

概述

Modbus本意是施罗德公司·1979年为可编程逻辑控制器(PLC)开发的通信协议。

Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。

大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。

Modbus是一种单主站的主/从通信模式。Modbus网络上只能有一个主站存在，主站在 Modbus网络上没有地址，从站的地址范围为 0 - 247，其中 0 为广播地址，从站的实际地址范围为 1 - 247。

Modbus通信标准协议可以通过各种传输方式传播，如 RS232C、RS485、光纤、无线电等。 Modbus具有两种串行传输模式，ASCII 和 RTU。
对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。

• Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。
• RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。

现在，在工业领域比较常用的是RTU格式。

Modbus协议分为三种通信方式：Modbus RTU、Modbus ASCII以及Modbus TCP。
　　首先，Modbus TCP的通信格式和Modbus RTU非常相似，唯一的差别只是Modbus RTU最后带两个字节的CRC校验，而Modbus TCP没有。
　　其次，Modbus ASCII的通信格式与Modbus RTU其实“神合貌离”，就是把Modbus RTU的每一个字节（例如：27H）高四位（2）和低四位（7）拆分为两个字节，并以ASCII码的方式表现出来（32 37），再给命令帧分别加上起始符和结束符便可以，当然Modbus RTU和Modbus ASCII的校验的方式不同。

1.Modbus报文格式

ModBus网络只有一个主机，所有通信都由它发出。从机接收到报文后，解析该报文，如报文地址中的地址与自身的地址相同则响应该报文

其中地址域：一个字节，理论上代表256个设备，实际可用的只有247个,地址0是广播地址（0~247）

功能码：一个字节，具体含义有规范要求。

数据：N个字节，具体格式和大小跟功能码有关。Modbus信息帧所允许的最大长度为256个字节，所以数据最多252个字节。

差错校验：2个字节，低字节在前，高字节在后。RTU采用16位CRC校验，是从开头一直校验到此之前。(怎么怎么怪？)

在每个RTU数据帧之前和之后有不少于3.5个字符位作为帧的分隔。

2.Modbus数据类型

这些所谓的变量类型是从PLC中来的，所以有所谓的逻辑线圈，开关，及寄存器等。

​实际所谓线圈、寄存器就是位变量、16位变量。

Modbus​可​访问​的​数据​存储​在​四​个​数据​库​或​地址​范围​的​其中​一个： 线圈​状态、​离散​量​输入、​保持​寄存器​和​输入​寄存器。

从​设备​可以​直接​访问​这些​数据，​因为​这些​数据​由​设备​本地​托管。 Modbus​可​访问​的​数据​通常​是​设备​主​存​的​一个​子​集。 相反，​Modbus​主​设备​必须​通过​各种​功能​代码​请求​访问​这些​数据。

内存​区块	数据​类型	主​设备​访问	从​设备​访问
线圈​状态	布尔	读/写	读/写
离散​输入	布尔	只读	读/写
保持​寄存器	无​符号​双​字​节​整型	读/写	读/写
输入​寄存器	无​符号​双​字​节​整型	只读	读/写

Modbus​标准​提供​了​一个​相对​简单​的​数据​模型，​它​不​包含​无​符号​字​和​位​值​之外​的​其他​数据​类型。字符串、浮点数等不是Modbus标准规定的。一般要进行扩展。

3.Modbus功能码

Modbus功能码

功能码	名称	作用	主机命令PDU	从机响应PUD	备注
ox01	主机读取从机线圈状态	读取一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF）	[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]	[返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n]	主机输出8个字节
	响应数据的每一字节代表8个开关量的值，第一个字节的LSB代表首地址的逻辑线圈的状态。如果询问的线圈数不是8的整倍数，那么最后一个字节的高位部分无意义，置为0。
0x02	主机读取从机开关状态	读取一组输入开关的当前状态(ON/OFF)	[起始开关地址的高8位][低8位] [读取的开关数高8位] [低8位]	[返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n]	主机输出8个字节
	响应数据与0x01功能类似
0x03	主机读取从机保存寄存器值	读取在一个或多个保存寄存器中当前二进制值	[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]	[返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n]	主机输出8个字节
	响应数据每个寄存器2个字节，高字节在前，低字节在后
0x04	主机读取从机输入寄存器值	读取在一个或多个输入寄存器中当前二进制值	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]	[返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n]	主机输出8个字节
	响应数据每个寄存器2个字节，高字节在前，低字节在后
0x05	主机设置从机单线圈状态	设置一个逻辑线圈的通断状态	[需设置的寄存器地址高8位] [低8位] [设置的数据高8位] [低8位]	如果成功把主机发送的命令原样返回，否则不响应。	主机输出8个字节
	此命令一条只能设置一个开关量的状态。主机数据只可以是[FF][00]表示闭合[00][00]表示断开，其他数值非法。
0x06	主机设置从机单寄存器值	设置一个保存寄存器的二进制值	需设置的寄存器地址高8位] [低8位] [设置的数据高8位] [低8位]	如果成功把主机发送的命令原样返回，否则不响应。	主机输出8个字节
	此命令一条只能设置一个寄存器的值。
0x07	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
0x08	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
0x09	编程（只用于484）	使主机模拟编程器作用，修改PC从机逻辑
0x0A	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
0x0B	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
0x0C	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
0x0D	编程（184/384 484 584）	可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑
0x0E	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
0x0F	主机设置从机多个线圈的值	设置一系列连续逻辑线圈的通断	[需设置的线圈地址高8位] [低8位] [字节数] [设置的数据高8位] [低8位][……][……]	[需设置的线圈地址高8位] [低8位][设置的线圈数高位][设置的线圈数低位]	主机输出字节数与设置的逻辑线圈数有关
	主机设置的数据从第一个字节的MSB开始表示线圈的开闭
0x10	主句设置从机多个寄存器的值	把具体的二进制值装入一系列连续的保持寄存器	[需设置的寄存器地址高8位] [低8位][需设置的寄存器数高8位] [低8位] [字节数][数据数量高8位] [数据数量低8位] [设置的数据高8位] [低8位][……][……]	[设置的寄存器地址高8位] [低8位] [设置的寄存器数量高8位] [低8位]	主机输出字节数与设置的寄存器数有关
0x11	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
0x12	（884和MICRO 84）	可使主机模拟编程功能，修改PC状态逻辑
0x13	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
0x14	读取通用参数（584L）	显示扩展存储器文件中的数据信息
0x15	写入通用参数（584L）	把通用参数写入扩展存储文件，或修改之
0x16~0x40	保留作扩展功能备用
0x41~0x48	留作用户功能的扩展编码
0x49~0x77	非法功能
0x78~0x7f	保留	留作内部作用
0x80~0xff	保留	用于异常应答

3.CRC校验

RTU方式的差错校验采用CRC校验，直接上代码.

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned short u16;
//@@brief 计算一组数据的CRC16的值
//@@param nData  需要进行CRC16校验的数据地址
//@@param wLength 以字节为单位需要校验的数据大小
//@@return 该组数据的CRC16的值
u16 CRC16 (const u8 *nData, u16 wLength)
{
static const u16 wCRCTable[] = {
   0X0000, 0XC0C1, 0XC181, 0X0140, 0XC301, 0X03C0, 0X0280, 0XC241,
   0XC601, 0X06C0, 0X0780, 0XC741, 0X0500, 0XC5C1, 0XC481, 0X0440,
   0XCC01, 0X0CC0, 0X0D80, 0XCD41, 0X0F00, 0XCFC1, 0XCE81, 0X0E40,
   0X0A00, 0XCAC1, 0XCB81, 0X0B40, 0XC901, 0X09C0, 0X0880, 0XC841,
   0XD801, 0X18C0, 0X1980, 0XD941, 0X1B00, 0XDBC1, 0XDA81, 0X1A40,
   0X1E00, 0XDEC1, 0XDF81, 0X1F40, 0XDD01, 0X1DC0, 0X1C80, 0XDC41,
   0X1400, 0XD4C1, 0XD581, 0X1540, 0XD701, 0X17C0, 0X1680, 0XD641,
   0XD201, 0X12C0, 0X1380, 0XD341, 0X1100, 0XD1C1, 0XD081, 0X1040,
   0XF001, 0X30C0, 0X3180, 0XF141, 0X3300, 0XF3C1, 0XF281, 0X3240,
   0X3600, 0XF6C1, 0XF781, 0X3740, 0XF501, 0X35C0, 0X3480, 0XF441,
   0X3C00, 0XFCC1, 0XFD81, 0X3D40, 0XFF01, 0X3FC0, 0X3E80, 0XFE41,
   0XFA01, 0X3AC0, 0X3B80, 0XFB41, 0X3900, 0XF9C1, 0XF881, 0X3840,
   0X2800, 0XE8C1, 0XE981, 0X2940, 0XEB01, 0X2BC0, 0X2A80, 0XEA41,
   0XEE01, 0X2EC0, 0X2F80, 0XEF41, 0X2D00, 0XEDC1, 0XEC81, 0X2C40,
   0XE401, 0X24C0, 0X2580, 0XE541, 0X2700, 0XE7C1, 0XE681, 0X2640,
   0X2200, 0XE2C1, 0XE381, 0X2340, 0XE101, 0X21C0, 0X2080, 0XE041,
   0XA001, 0X60C0, 0X6180, 0XA141, 0X6300, 0XA3C1, 0XA281, 0X6240,
   0X6600, 0XA6C1, 0XA781, 0X6740, 0XA501, 0X65C0, 0X6480, 0XA441,
   0X6C00, 0XACC1, 0XAD81, 0X6D40, 0XAF01, 0X6FC0, 0X6E80, 0XAE41,
   0XAA01, 0X6AC0, 0X6B80, 0XAB41, 0X6900, 0XA9C1, 0XA881, 0X6840,
   0X7800, 0XB8C1, 0XB981, 0X7940, 0XBB01, 0X7BC0, 0X7A80, 0XBA41,
   0XBE01, 0X7EC0, 0X7F80, 0XBF41, 0X7D00, 0XBDC1, 0XBC81, 0X7C40,
   0XB401, 0X74C0, 0X7580, 0XB541, 0X7700, 0XB7C1, 0XB681, 0X7640,
   0X7200, 0XB2C1, 0XB381, 0X7340, 0XB101, 0X71C0, 0X7080, 0XB041,
   0X5000, 0X90C1, 0X9181, 0X5140, 0X9301, 0X53C0, 0X5280, 0X9241,
   0X9601, 0X56C0, 0X5780, 0X9741, 0X5500, 0X95C1, 0X9481, 0X5440,
   0X9C01, 0X5CC0, 0X5D80, 0X9D41, 0X5F00, 0X9FC1, 0X9E81, 0X5E40,
   0X5A00, 0X9AC1, 0X9B81, 0X5B40, 0X9901, 0X59C0, 0X5880, 0X9841,
   0X8801, 0X48C0, 0X4980, 0X8941, 0X4B00, 0X8BC1, 0X8A81, 0X4A40,
   0X4E00, 0X8EC1, 0X8F81, 0X4F40, 0X8D01, 0X4DC0, 0X4C80, 0X8C41,
   0X4400, 0X84C1, 0X8581, 0X4540, 0X8701, 0X47C0, 0X4680, 0X8641,
   0X8201, 0X42C0, 0X4380, 0X8341, 0X4100, 0X81C1, 0X8081, 0X4040 };

u8 nTemp;
u16 wCRCWord = 0xFFFF;

   while (wLength--)
   {
      nTemp = (u8)(*nData++ ^ wCRCWord);
      //不加这句话，nTemp就可能不是8位的了
      nTemp&=0xff;
      wCRCWord >>= 8;
      wCRCWord  ^= wCRCTable[nTemp];
   }
   return wCRCWord;

} ;// End: CRC16

以上代码是从Modbus slave的帮助文档中找出来的，并做了部分调整，也有其他实现的方式。

注意：调整的原因就是在PC机上用devC++时时编译、运行成功的，但是在DSP2833X上，用CCS时若不加上nTemp&=0xff;nTemp的值并不是8位一个字节，而是16位的，可能与DSP为16位有关。