ModBus通信协议详解（基于RS-485）

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前言

本文将详细介绍Modbus这种通信协议，以及Modbus的特点和应用场景。

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一、什么是Modbus？

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

ModBus的特点

二、ModBus的分类

Modbus协议分为三种，包括：
Modbus-RTU
Modbus-ASCII
Modbus-TCP
这三种协议中我们最常使用的是ModBus-RTU形式，本文也主要以该中进行讲解

三、ModBus通信过程

在通信上我们可将其分为硬件层和软件层两部分：
1）硬件层：RS232、RS485 、CAN等 。主要解决硬件传输问题，解决如何传输0与1的问题（物理上以什么样的电平、多少伏电压传输，仪表可以测到这个电压，还有以双绞线还是什么线传输）。【形象来说硬件层就是我们的交通道路】
2）软件层：怎么传数据，Modbus、TCP/IP【形象来说软件层就是我们的交通灯】对传输的数据有着一定的约束作用。

传输形式

1）单工模式：只有一个方向可以进行读和写
2）半双工：两个方向都可以进行读和写，但同一时刻只能一边进行
3）全双工：两个方向读和写可以同时进行
ModBus是一种半双工的通信形式，更多的作为主从模式使用。也就是说在整个系统中，只有一个主机，其余的全都是从机（从机的的数量也有一定的限制），系统中的从机不能主动发送信息给主机。

3.1 硬件层半双工通讯方式的实现

主从模式：
（3）系统上电之后，默认状态，主机，从机都是在监听状态；
（4）主机与从机之间的通信，只能由主机发起；
主机要建立起一次通信，要满足以下要求：
（1）主机要将自己置为发送状态；
（2）主机要按照预先约定好的格式（比如MODBUS协议格式）发送寻址数据帧，发完之后立刻把自己转回接收状态；
（3）寻址完成之后，目标从机要返回给我消息，才能算这次通信成功；

3.2 软件层（数据帧格式）

（1）.MODBUS是主从模式：
整个系统只能有一个主机，每个从机都有唯一的地址（0-247），0号地址是广播地址，发送给所有的从机。0号地址寻址，所有从机不回应，否则会造成消息错误。
（2）.MODBUS主机寻址帧格式：
RTU方式：也叫16进制方式，或者2进制方式
比如：0x03: 0000 0011
（2）ASC方式：字符方式（方便调试）
比如：0x03–> 转换成字符’0’与字符’3’再发送出去；那么就会发
字符’0’（ASCII码是0x30）的2进制0011 0000 + 字符’3’（ASCII码0x33）的2进制 0011 0011，最终发送的就是：0011 0000 0011 0011

下图为定型的一一帧Modbus消息帧
从机地址 + 功能码 + 数据 + 16位CRC校验

当然不同功能码所对应的发生事件也是不同的，常见的功能码： 、

读写异常时，从站响应的功能码为：主站请求功能码 + 0x80

四、CRC校验

CRC校验在线计算工具

CRC校验在线工具

4.1 CRC定义

CRC即循环冗余校验码，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。

4.2 CRC校验原理

其根本思想就是先在要发送的帧后面附加一个数（这个就是用来校验的校验码，但要注意，这里的数也是二进制序列的，下同），生成一个新帧发送给接收端。当然，这个附加的数不是随意的，它要使所生成的新帧能与发送端和接收端共同选定的某个特定数整除（注意，这里不是直接采用二进制除法，而是采用一种称之为“模2除法”）。到达接收端后，再把接收到的新帧除以（同样采用“模2除法”）这个选定的除数。因为在发送端发送数据帧之前就已通过附加一个数，做了“去余”处理（也就已经能整除了），所以结果应该是没有余数。如果有余数，则表明该帧在传输过程中出现了差错

模2除法：

模2除法与算术除法类似，但每一位除的结果不影响其它位，即不向上一位借位，所以 实际上就是异或。在循环冗余校验码（CRC）的计算中有应用到模2除法。

CRC校验步骤

CRC校验中有两个关键点，一是预先确定一个发送送端和接收端都用来作为除数的二进制比特串（或多项式），可以随机选择，也可以使用国际标准，但是最高位和最低位必须为1；二是把原始帧与上面计算出的除数进行模2除法运算，计算出CRC码。

具体步骤

1）选择合适的除数（最高位和最低位必须为1）
2）看选定除数的二进制位数，然后再要发送的数据帧上面加上(这个位数-1)位的0，然后用新生成的帧以模2除法的方式除上面的除数，得到的余数就是该帧的CRC校验码。注意，余数的位数一定只比除数位数少一位，也就是CRC校验码位数比除数位数少一位，如果前面位是0也不能省略。
3）将计算出来的CRC校验码附加在原数据帧后面，构建成一个新的数据帧进行发送；最后接收端在以模2除法方式除以前面选择的除数，如果没有余数，则说明数据帧在传输的过程中没有出错

CRC校验码计算示例

现假设选择的 CRC生成多项式为 G（ X） = X^4 + X^3 + 1，要求出二进制序列 10110011的 CRC校验码。下面是具体的计算过程 ：
①将多项式转化为二进制序列，由 G（ X） = X^4 + X^3 + 1可知二进制一种有五位，第4位、第三位和第零位分别为1，则序列为11001
②多项式的位数位5，则在数据帧的后面加上4位0，数据帧变为 101100110000，然后使用模2除法除以除数 11001，得到余数。

③将计算出来的CRC校验码添加在原始帧的后面，真正的数据帧为101100110100，再把这个数据帧发送到接收端。
④接收端收到数据帧后，用上面选定的除数，用模2除法除去，验证余数是否为0，如果为0，则说明数据帧没有出错。

CRC校验C语言实现

USHORT usMBCRC16( UCHAR * pucFrame, USHORT usLen )
{
    static const UCHAR aucCRCHi[] =
    {
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
        0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40
    };

    static const UCHAR aucCRCLo[] =
    {
        0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7,
        0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E,
        0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09, 0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9,
        0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC,
        0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,
        0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32,
        0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D,
        0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A, 0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38,
        0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF,
        0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,
        0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1,
        0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4,
        0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F, 0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB,
        0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA,
        0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,
        0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0,
        0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97,
        0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C, 0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E,
        0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89,
        0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,
        0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83,
        0x41, 0x81, 0x80, 0x40
    };
    UCHAR           ucCRCHi = 0xFF;
    UCHAR           ucCRCLo = 0xFF;
    int             iIndex;

    while( usLen-- )
    {
        iIndex = ucCRCLo ^ *( pucFrame++ );
        ucCRCLo = ( UCHAR )( ucCRCHi ^ aucCRCHi[iIndex] );
        ucCRCHi = aucCRCLo[iIndex];
    }
    return ( USHORT )( ucCRCHi << 8 | ucCRCLo );
}

可参考循环冗余检验 (CRC) 算法原理

CRC算法原理

总结

以上就是ModBus相关的讲解以及CRC算法的原理，如有误望大佬指正。