Modbus学习笔记

1、Modbus通信协议介绍

1.1 概述

在计算机科学技术中， 许多繁杂的问题都可以通过分层来进行简化，通信协议可以划分为物理层和协议层， 物理层规定通讯中的电子功能特性， 协议层负责规定通讯逻辑。 国际标准化组织 I.S.O 在开放式系统互联参考模型中将网络系统结构规划为 7 层 ISO/OSI 模型。 Modbus 协议隶属于OSI 模型当中的第 7 层， 其与 OSI 模型对比如下图 所示。

1.2 硬件层：RS-485和RS-232

• 我们常见的RS-232和RS-485是一种电平标准，数据在通信双方之间传输，这些物理信号在传输过程中会收到很多干扰，可能导致传输末端电平和初始电平差别过大，接收设备识别出错。此外，通信双方的参考电平可能并不一样。
• RS232：电平标准：+3V～+15V对应0，-3V～-15V对应1
• RS485：RS485是一种串口接口标准，为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，抗干扰能力比RS232强很多。两线压差为-2~-6V表示0，两线压差为+2-+6V表示1

1.3 软件层：RS-485和Modbus的联系

RS-485 电平标准确定传输过来的数据是 0 还是 1，在此基础上，这些字节数据根据 modbus 通信协议来进行数据的交互传输。

2、Modbus协议

2.1 Modbus协议优点

• Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求；
• Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等；
• Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络。
  Modbus协议是一种应用层报文传输协议，协议本身并没有定义物理层，定义了控制器能够认识和使用的消息结构，不管它们是经过何种网络进行通信的。

2.2 Modbus协议类型

Modbus通信协议是一种工业现场总线协议标准，常用的Modbus协议有以下三种类型：Modbus TCP、Modbus RTU、Modbus ASCll。

• Modbus RTU：十六进制表示数据，带有循环冗余校验的校验和，CRC校验
• Modbus ASCII：Ascii码表示数据，纵向冗余校验的校验和，LRC校验

2.3 Modbus-RTU协议结构

一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文：指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据。Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容。

帧结构 = 从机地址 + 功能码 + 数据 + 校验

• 从机地址:
  每个从机都有唯一地址，占用一个字节，范围0-255，其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)
• 功能码:
  占用一个字节，功能码的意义就是知道这个指令是干啥的，比如你可以查询从机的数据，也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
• 数据:
  根据功能码不同，有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
• 校验：在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确。
  Modbus功能码
  Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：
  
  CRC校验
  CRC校验流程：
  1、预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。
  2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。
  3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。
  4 、如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。
  5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。
  6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。
  7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。