STM32--MODBUS 通讯篇

STM32–MODBUS 通讯篇

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一、MODBUS简介

①Modbus协议是一种请求/应答的串行链路协议，是一种工业现场总线协议标准。是一项应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机/服务器通信。

②Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。

③标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。

④MODBUS 是一项应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机/服务器通信。

MODBUS 通用帧如图：

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二、MODBUS功能码详解

1. 寄存器分类

Modbus寄存器分为四种，如表

寄存器种类	数据类型	访问类型	功能码	PLC地址	寄存器地址
线圈寄存器	位	读写	01H 05H 0FH	00001-09999	0000H-FFFFH
离散输入寄存器	位	只写	02H	10001-19999	0000H-FFFFH
输入寄存器	字	只写	04H	30001-39999	0000H-FFFFH
保持寄存器	字	读写	03H 06H 10H	40001-49999	0000H-FFFFH

2. 常用功能码

Modbus中常用功能码有8个，可以分为位操作和字操作两类，如表所示：

功能码	描述	PLC地址	寄存器地址	位/字操作	操作数量
01H	读线圈寄存器	00001-09999	0000H-FFFFH	位操作	单个或多个
02H	读离散输入寄存器	10001-19999	0000H-FFFFH	位操作	单个或多个
03H	读保持寄存器	40001-49999	0000H-FFFFH	字操作	单个或多个
04H	读输入寄存器	30001-39999	0000H-FFFFH	字操作	单个或多个
05H	写单个线圈寄存器	00001-09999	0000H-FFFFH	位操作	单个
06H	写单个保持寄存器	40001-49999	0000H-FFFFH	字操作	单个
0FH	写多个线圈寄存器	00001-09999	0000H-FFFFH	位操作	多个
10H	写多个保持寄存器	40001-49999	0000H-FFFFH	字操作	多个

2. 常用功能码说明

①读线圈寄存器——01H

●功能码01H读取Modbus从机中线圈寄存器的状态，可以是单个寄存器，或者多个连续的寄存器。

●假设从机地址为01H，读取的线圈寄存器的起始地址为0017H，读取38个寄存器，指令如表所示：
发送读线圈寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	01	00	17	00	26	0D	D4

●响应：各线圈的状态与数据内容的每个bit对应，1代表ON，0代表OFF。如果查询的线圈数量不是8的倍数，则在最后一个字节的高位补0。

读线圈寄存器状态响应：

从机地址	功能码	返回字节数	数据1	数据2	数据3	数据4	数据5	CRC高位	CRC低位
01	01	05	CD	6B	B2	0E	1B	44	EA

●其中，第一个字节CDH对应线圈0017H到001E的状态，转为二进制是11001101，其中bit0对应0017H，bit7对应001E，如表所示：

线圈0017H到001EH的状态：

001EH	001DH	001CH	001BH	001AH	0019H	0018H	0017H
ON	ON	OFF	OFF	ON	ON	OFF	ON

●最后一个字节为1BH，对应线圈0037H到003CH的状态，转为二进制是00011011，其中bit0对应0037H，bit5对应003CH，其余两位用0填充，如表所示：

线圈0037H到003CH的状态：

001EH	001DH	001CH	001BH	001AH	0019H	0018H	0017H
ON	ON	OFF	OFF	ON	ON	OFF	ON

②读离散输入寄存器——02H

●功能码02H读取Modbus从机中离散输入寄存器的状态，可以是单个寄存器，或者多个连续的寄存器。

●假设从机地址为01H，读取的离散输入寄存器的起始地址为00C4H，读取22个寄存器，指令如表所示：

发送读离散输入寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	02	00	C4	00	16	B8	39

●响应：各个离散输入寄存器的状态与数据内容的每个bit对应，1代表ON，0代表OFF。如果查询的线圈数量不是8的倍数，则在最后一个字节的高位补0

读离散输入寄存器的返回结果：

从机地址	功能码	返回字节数	数据1	数据2	数据3	CRC高位	CRC低位
01	02	03	AC	DB	35	22	88

●其中，第一个字节ACH对应00C4H到00CBH寄存器的状态，转为二进制是10101100，其中bit0对应00C4H，bit7对应00CB，如表所示：

寄存器00C4H到00CBH的状态:

00CBH	00CAH	00C9H	00C8H	00C7H	00C6H	00C5H	00C4H
1	0	1	0	1	1	0	0
ON	OFF	ON	OFF	ON	ON	OFF	OFF

●最后一个字节为35H，对应寄存器00D4H到00D9H的状态，转为二进制是00110101，其中bit0对应00D4H，bit5对应00D9H，其余两位用0填充，如表所示：

寄存器00D4H到00D9H的状态

00DBH	00DAH	00D9H	00D8H	00D7H	00D6H	00D5H	00D4H
0	0	1	1	0	1	0	1
ON	OFF	ON	OFF	ON	ON	OFF	OFF

③读保持寄存器——03H

●功能码03H读取Modbus从机中保持寄存器的数据，可以是单个寄存器，或者多个连续的寄存器。
●假设从机地址为01H，读取的保持寄存器的起始地址为006BH，读取3个寄存器，指令如表所示：

发送读保持寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	03	00	6B	00	03	74	17

●响应：每个保持寄存器的长度为2个字节。保持寄存器之间，低地址寄存器先传输，高地址寄存器后传输。单个保持寄存器，高字节数据先传输，低字节数据后传输。

读保持寄存器的返回结果：

从机地址	功能码	字节数	006BH高位字节	006BH低位字节	006CH高位字节	006CH低位字节	006BH高位字节	006BH低位字节	CRC高位	CRC低位
01	03	06	00	6B	00	13	00	00	F5	79

④读输入寄存器——04H

●功能码04H读取Modbus从机中输入寄存器的数据，可以是单个寄存器，或者多个连续的寄存器。
●假设从机地址为01H，读取的保持寄存器的起始地址为0008H，读取2个寄存器，指令如表所示：

发送读输入寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	04	00	6B	00	02	00	17

●响应：每个输入寄存器的长度为2个字节。输入寄存器之间，低地址寄存器先传输，高地址寄存器后传输。单个输入寄存器，高字节数据先传输，低字节数据后传输。

读输入寄存器的返回结果：

从机地址	功能码	字节数	0008H高位字节	0008H低位字节	0009H高位字节	0009H低位字节	CRC高位	CRC低位
01	04	04	00	0A	00	0B	9A	41

⑤写单个线圈寄存器——05H

●功能码05H写单个线圈寄存器，FF00H请求线圈处于ON状态，0000H请求线圈处于OFF状态。
●假设从机地址为01H，线圈寄存器的地址为00ACH，使其处于ON状态的指令，如表所示：

发送写单个线圈指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	05	00	AC	FF	00	4C	1B

●响应：如果写入成功，返回发送的指令，即010500ACFF004C1B。

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	05	00	AC	FF	00	4C	1B

⑥写单个保持寄存器——06H

●功能码06H写单个保持寄存器。
●假设从机地址为01H，保持寄存器的地址为0001H，数据位0003H，指令如表所示：

发送写单个保持寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	06	00	01	00	03	98	0B

●响应：如果写入成功，返回发送的指令，即010600010003980B。

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	06	00	01	00	03	98	0B

⑦写多个线圈寄存器——0FH

●功能码0FH写多个线圈寄存器。如果对应的数据位为1，表示线圈状态为ON；如果对应的数据位为0，表示线圈状态为OFF。线圈寄存器之间，低地址寄存器先传输，高地址寄存器后传输。单个线圈寄存器，高字节数据先传输，低字节数据后传输。如果写入的线圈寄存器的个数不是8的倍数，则在最后一个字节的高位补0。

●假设从机地址为01H，线圈寄存器的起始地址为0013H，写入10个寄存器，指令如表所示：

发送写入多个线圈寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	字节数	数据1	数据2	CRC高位	CRC低位
01	0F	00	13	00	0A	02	CD	01	72	CB

●其中，CDH对应线圈0013H到001AH的内容，01H对应线圈001B到001CH的内容，未使用位用0填充。

线圈寄存器0013H到001CH的内容：

001AH	0019H	0018H	0017H	0016H	0015H	0014H	0013H
1	1	0	0	1	1	0	1

0022H	0021H	0020H	001FH	001EH	001DH	001CH	001BH
0	0	0	0	0	0	0	1

●响应：如果写入成功，返回写入的寄存器数量，如表所示

写多个线圈寄存器的返回结果：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	0F	00	13	00	0A	24	09

⑧写多个保持寄存器——10H

●功能码10H写多个保持寄存器，其中每个保持寄存器的长度为两个字节。
●假设从机地址为01H，保持寄存器的起始地址为0001H，写入2个寄存器，指令如表所示：

发送写入多个保持寄存器指令：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	字节数	0001H高位	0001H低位	0002H高位	0002H低位	CRC高位	CRC低位
01	010	00	01	00	02	04	00	0A	01	02	92	30

●响应：如果写入成功，返回写入的寄存器数量，如表所示：

从机地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	寄存器数量高位	寄存器数量低位	CRC高位	CRC低位
01	10	00	01	00	02	10	08

3.小结

●功能码详解主要参考文献为：
https://blog.csdn.net/lakerszhy/article/details/68927178?locationNum=4&fps=1

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三、MODBUS协议详解

1.两种串行传输模式

①.ASCII模式

编码系统:
十六进制，ASCII 字符 0-9， A-F。报文中每个 ASCII 字符含有 1 个十六进制字符

Bits per Byte:
1 起始位
7 数据位， 首先发送最低有效位
1 位作为奇偶校验
1 停止位

奇偶校验 ：
●偶校验是要求的， 其它模式 ( 奇校验， 无校验 ) 也可以使用。 为了保证与其它产品的最大兼容性，同时支持无校验模式是建议的。默认校验模式模式 必须为偶校验。
注 : 使用无校验要求 2 个停止位。

字符串行传送：
●每个字符或字节均由此顺序发送(从左到右):
●最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)，数据传输如图：
●有奇偶检验

●无奇偶检验：

Modbus ASCII 报文帧：
在 ASCII 模式， 报文用特殊的字符区分帧起始和帧结束。一个报文必须以一个‘冒号’ ( : )(ASCII 十六进制 3A )起始，以 ‘回车-换行’ (CR LF) 对 (ASCII 十六进制 0D 和 0A) 结束。
注 : LF 字符可以通过特定的 Modbus 应用命令 (参见 Modbus 应用协议规范) 改变。

对于所有的域，允许传送的字符为十六进制 0–9， A–F (ASCII 编码)。 设备连续的监视总线上的 ‘冒号’ 字符。 当收到这个字符后，每个设备解码后续的字符一直到帧结束。

报文帧包括：起始、地址、功能码、数据、LRC校验位、结束。如图：

注：每个字符子节需要用两个字符编码。因此，为了确保 ASCII 模式 和 RTU 模式在 Modbus 应用级兼容，ASCII
数据域最大数据长度为 (2x252) 是 RTU 数据域 (252) 的两倍。
必然的， Modbus ASCII 帧的最大尺寸为 513 个字符。

ASCII 传输模式状态如图：

帧检验域：
①帧检验方式为：:纵向冗余校验 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking)

②LRC 域检验不包括起始“冒号”和结尾 CRLF 对的整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。

③LRC 域为一个子节，包含一个 8 位二进制值。LRC 值由发送设备计算，然后将 LRC 附在报文后面。接收设备在接收报文时重新计算 LRC 的值，并将计算结果于实际接收到的 LRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。LRC 的计算, 对报文中的所有的连续 8 位字节相加，忽略任何进位，然后求出其二进制补码。执行检验针对不包括起始“冒号”和结尾 CRLF 对的整个 ASCII 报文域的内容。在 ASCII 模式，LRC 的结果被 ASCII 编码为两个字节并放置于 ASCII 模式报文帧的结尾， CRLF 之前。

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②.RTU模式

RTU模式：报文中每个 8 位字节含有两个 4 位十六进制字符。这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。

编码系统:

8–位二进制报文中每个 8 位字节含有两个 4 位十六进制字符(0–9， A–F)

Bits per Byte:

1 起始位
8 数据位， 首先发送最低有效位
1 位作为奇偶校验
1 停止位

奇偶校验 ：
●偶校验是要求的， 其它模式 ( 奇校验， 无校验 ) 也可以使用。 为了保证与其它产品的最大兼容性，同时支持无校验模式是建议的。默认校验模式模式 必须为偶校验。
注 : 使用无校验要求 2 个停止位。

字符串行传送：
●每个字符或字节均由此顺序发送(从左到右):
●最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)，数据传输如图：
●有奇偶校验：

●无奇偶校验：

Modbus RTU 报文帧：

RTU 报文帧描述如图 :

注意： Modbus RTU 帧最大为 256 字节。

●在 RTU 模式，报文帧由时长至少为 3.5 个字符时间的空闲间隔区分。在后续的部分，这个时间区间被称作 t3.5。如果两个字符之间的空闲间隔大于 1.5 个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。传输格式如图：

注 :
RTU 接收驱动程序的实现，由于 t1.5 和 t3.5 的定时，隐含着大量的对中断的管理。在高通信速率下，这导致 CPU 负担加重。因此，在通信速率等于或低于 19200 Bps 时，这两个定时必须严格遵守；对于波特率大于 19200 Bps 的情形，应该使用 2 个定时的固定值：建议的字符间超时时间(t1.5)为 750µs，帧间的超时时间 (t1.5) 为 1.750ms。

●下图表示了对 RTU 传输模式状态图的描述。 “主节点” 和 “子节点” 的不同角度均在相同的图中表示：

上面状态图的一些解释:
● 从 “初始” 态到 “空闲” 态转换需要 t3.5 定时超时: 这保证帧间延迟
● “空闲” 态是没有发送和接收报文要处理的正常状态。
●在 RTU 模式， 当没有活动的传输的时间间隔达 3.5 个字符长时，通信链路被认为在 “空闲”
态。
●当链路空闲时， 在链路上检测到的任何传输的字符被识别为帧起始。 链路变为 “活动” 状态。
然后， 当链路上没有字符传输的时间间个达到 t3.5 后，被识别为帧结束。
● 检测到帧结束后，完成 CRC 计算和检验。然后，分析地址域以确定帧是否发往此设备，如果不是，则丢弃此帧。 为了减少接收处理时间，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧结束。这样，CRC 计算只需要在帧寻址到该节点 (包括广播帧) 时进行。

帧检验域：
①帧检验方式为：循环冗余校验 (CRC)

②CRC 包含由两个 8 位字节组成的一个 16 位值。

③CRC 域作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后，首先附加低字节，然后是高字节。CRC

④高字节为报文发送的最后一个子节。附加在报文后面的 CRC 的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算 CRC 的值，
并将计算结果于实际接收到的 CRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。CRC 的计算, 开始对一个 16 位寄存器预装全 1。 然后将报文中的连续的 8 位子节对其进行后续的计算。只有字符中的 8 个数据位参与生成 CRC 的运算，起始位，停止位和校验位不参与 CRC计算。

⑤CRC 的生成过程中， 每个 8–位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位(LSB)方向移动(Shift) 1 位，而最高有效位(MSB)位置充零。 然后提取并检查 LSB：如果 LSB 为 1， 则寄存器中的值与一个固定的预置值异或；如果 LSB 为 0， 则不进行异或操作。
这个过程将重复直到执行完 8 次移位。完成最后一次（第 8 次）移位及相关操作后，下一个 8位字节与寄存器的当前值异或，然后又同上面描述过的一样重复 8 次。当所有报文中子节都运算之后得到的寄存器忠的最终值，就是 CRC。

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③小结

MODBUS分为两种传输模式，ASCII方式、RTU方式。这两种模式的区别在于： 1、起始符，与结束符不一样；

●ASCII模式，起始符是一个冒号“：” ASCII码为3AH H是十六进制表示结束符是“回车换行符” ASCII码为0DH 0AH

●RTU 模式，起始符与结束符都是至少3.5倍字符传输时间的停顿间隔时间标定3.5倍字符的传输时间的计算方法，根据“通讯格式、传输方式及MODBUS协议简介”视频中介绍的一个字符的传输时间的计算方法，很容易计算出来。

2、校验和计算不一样；

●ASCII模式，是LRC校验
●RTU 模式，是CRC校验
3、发送格式不一样；
●ASCII模式，在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送
●RTU 模式，在消息中的每个字节包含两个 4Bit的十六进制字符。

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2. ModbusTCP

●ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU。

①结构帧MBAP

MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

事务紧急处理标识	协议标识	长度	单元标识符
2字节	2字节	2字节	1字节

事务处理标识 ： 可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符 ： 00 00表示ModbusTCP协议。
长度 ： 表示接下来的数据长度，单位为字节。
单元标识符 ： 可以理解为设备地址。

②结构帧PDU

PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。该处使用的url网络请求的数据。

②小结

modbus设备可分为主站(poll)和从站(slave)。主站只有一个，从站有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予响应。在使用TCP通信时，主站为client端，主动建立连接；从站为server端，等待连接。

●主站请求：功能码+数据
●从站正常响应：请求功能码+响应数据
●从站异常响应：异常功能码+异常码，其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1，异常码指示差错类型
●注意：需要超时管理机制，避免无期限的等待可能不出现的应答

在linux下使用modbusTCP连接
IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配管理机构）给Modbus协议赋予TCP端口号为502，这是目前在仪表与自动化行业中唯一分配到的端口号。
通信过程
1.connect 建立TCP连接
2.准备modbus报文
3.使用send命令发送报文
4.在同一连接下等待应答
5.使用recv命令读取报文，完成一次数据交换
6.通信任务结束时，关闭TCP连接

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四、基于STM32-MODBUS实现

有点累了，改天再写。。。

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