Modbus协议

㈠MODBUS规约

MODBUS规约是MODICOM公司开发的一个为很多厂商支持的开放规约， Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

最主要的是它被很多组态软件所兼容，开发速度较快，受到了很多工控厂商的追捧。但是协议还是有点小麻烦的。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。

控制器通信使用主—从技术，即仅设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据做出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。

从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。

在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。

在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果控制器发送消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。

.主设备查询

查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

.从设备回应

如果从设备产生正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：像寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

每个MODBUS帧都包括地址域  功能域  数据域 错误检测域

 

接下来详细介绍Modbus协议。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，这里暂不详述，所以同一条命令用Modbus RTU方式和Modbus ASCII方式表现出来，虽然在命令长度的上有很大的区别，但其实际表达的意思却是一样。

㈡RTU方式

地址

功能 代码

数据 数量

数据1

...

数据n

CRC低 字节

CRC高 字节

 地址域 功能域                  数据域                        错误检测域

 

帧定界 :MODBUS RTU方式下，每两个字符之间发送或者接收的时间间隔不能超过1.5倍 字符传输时间。如果两个字符时间间隔超过了3.5倍的字符传输时间，规约就认为一帧数据已经接收，新的一帧数据传输开始。

 

㈢ASCII方式

ASCII模式

:

地址

功能 代码

数据 数量

数据1

...

数据n

LRC低字节

LRC高字节

回车

换行

地址域  功能域                   数据域                       错误检测域

帧定界：

“：”帧起始   “CR LF” 帧结束

 ASCII方式用两个ASCII字符表示一个8位数据，比如16进制的3A用字符“3”和字符“A”表示。

 

㈣MODBUS TCP

MODBUS TCP模式下，由于模块的地址由IP地址确定，所以不再有地址域内容，考虑到TCP网络是可靠的数据传输网络，故不再有校验数据。但是考虑到在IP网上数据到达的顺序可能与我们预期的数据不一致，故增加了一个数据序号，考虑到在MODBUS TCP协议上承载MODBUS协议，还在头部数据中增加了一个地址域。

因为Modbus/TCP是一种应用层的协议，上层为Modbus 协议，下层为TCP协议，它规定了网络互联节点间的请求/应答的通信方式。帧格式必须严格遵守协议所规定的ADU ( Application Data Unit)格式，才能在以太网上实现数据的传输。

MODBUS TCP模式

事务标识符

协议标识符

长度字段

从机地址

功能码

数据

 

名称		长度	功能
MBAP报文头	事务标识符	2字节	Modbus请求/响应 事务处理的标识码
	协议标识符	2字节	0=Modbus协议
	长度字段	2字节	以下(包括了单儿标识域和数据域)的宇节数量
	从机地址	1字节	串行链路或其它总线上连接的远程从站识别码
功能码		1字节	功能标识
数据		N字节	数据或者指令

 

㈤所有命令

功能码	名称	作用
1	读取线圈状态	取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF)
2	读取输入状态	取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF)
3	读取保持寄存器	在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值
4	读取输入寄存器	在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值
5	强置单线圈	强置一个逻辑线圈的通断状态
6	预置单寄存器	把具体二进值装入一个保持寄存器
7	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，用户逻辑可以将这些线圈定义，以说明从机状态，短报文适宜于迅速读取状态
8	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
9	编程(只用于484)	使主机模拟编程器作用，修改PC从机逻辑
10	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
11	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
12	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
13	编程(184/384 484 584)	可使主机模拟编程器功能修改PC从机逻辑
14	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
15	强置多线圈	强置一串连续逻辑线圈的通断
16	预置多寄存器	把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器
17	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
18	(884和MICRO 84)	可使主机模拟编程功能，修改PC状态逻辑
19	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
20	读取通用参数(584L)	显示扩展存储器文件中的数据信息
21	写入通用参数(584L)	把通用参数写入扩展存储文件，或修改之
22～64	保留作扩展功能备用
65～72	保留以备用户功能所用	留作用户功能的扩展编码
73～119	非法功能
120～127	保留	留作内部作用
128～255	保留	用于异常应答

51单片机实现实现MODBUS RTU协议 一、通讯协议： 1、通讯传送方式： 通讯传送分为独立的信息头，和发送的编码数据。以下的通讯传送方式定义也与MODBUS RTU通讯规约相兼容： 编 码 8位二进制  起始位 1位  数据位 8位  奇偶校验位 1位（偶校验位）  停止位 1位  错误校检 CRC（冗余循环码） 初始结构 = ≥4字节的时间 地址码 = 1 字节 功能码 = 1 字节 数据区 = N 字节 错误校检 = 16位CRC码 结束结构 = ≥4字节的时间 地址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。 功能码：通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为１(比如功能码大与此同时127)，则表明从机没有响应操作或发送出错。 数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。 读取保持寄存器（单个和多个，以字为最小单位） 发送命令帧： 设备地址 功能码 地址H 地址L 数据量H 数据量L CRC H CRC L Addr0 3 H HoldStart DataNum CRC高位 CRC低位 帧 长 度：8个字节 设备地址：1～247 功 能 码：3H 数据地址：0～65535   具体范围与相关设备有关          数    量：1～65535   具体范围与相关设备有关 校 验 码：CRC16校验   返回命令帧： 设备地址 功能码 数据量 数据1 数据N CRC H CRC L Addr1 3 H 返回数据的字节数N Data (1～N) CRC高位 CRC低位 帧 长 度：5＋N 个字节 设备地址：1～247 功 能 码：3H 数 据 量：实际的读取数据数量          数    据：返回数据的意义 a＝HoldStart n= DataNum－1 VW a （VB a） VWa（VB a+1） … VW a+n（VB a+n） VWa+n（VB a+n+1） Data（1） Data(2) … Data(N-1) Data(N) 校 验 码：CRC16校验   命令有误： 1)        没有任何返回 2)        返回异议帧 设备地址 功能码 错误信息 CRC H CRC L Addr1 83 H 一个字节的错误信息 CRC高位 CRC低位   设置保持寄存器（多个，以字为最小单位） 发送命令帧：   设备地址 功能码 地址H 地址L 数据量H 数据量L 数据字节数 具体 数据 CRC H CRC L Addr0 10 H HoldStart DataNum bytN 1～bytN CRC高位 CRC低位 帧 长 度：9＋bytN 个字节 设备地址：1～247 功 能 码：10H 数据地址：0～65535   具体范围与相关设备有关        数    量：1～122     具体范围与相关设备有关 字 节 数：设置的字节个数 bytN= DataNum×2 数    据：具体的字节数据 校 验 码：CRC16校验   返回命令帧： 设备地址 功能码 地址H 地址L 数据量H 数据量L CRC H CRC L Addr1 10 H HoldStart DataNum CRC高位 CRC低位 帧 长 度：8 个字节 设备地址：1～247 功 能 码：10H 数据地址：0～65535   具体范围与相关设备有关     数    量：1～122     具体范围与相关设备有关 校 验 码：CRC16校验   命令有误： 1）    没有任何返回 2）      返回异议帧 地址 功能码 错误信息 CRC H CRC L Addr1 90 H 一个字节的错误信息 CRC高位 CRC低位 uint8   testCoil; //用于测试 位地址1 uint16  testRegister; //用于测试 字地址0 uint8 localAddr = 1; //地址 uint8 sendCount;  //发送字节个数 uint8 receCount;  //接收字节个数 uint8 sendPosi;  //发送位置 uint8 sendBuf[32],receBuf[32]; //发送,接收缓冲区    uint8 checkoutError;    //校验结果 uint8 receTimeOut;    //接收超时 //CRC较验计算 uint16 crc16(uint8 *puchMsg, uint16 usDataLen)  {   uint8 uchCRCHi = 0xFF ; /* 高CRC字节初始化 */   uint8 uchCRCLo = 0xFF ; /* 低CRC 字节初始化 */   uint32 uIndex ; /* CRC循环中的索引 */   while (usDataLen--) /* 传输消息缓冲区 */   {    uIndex = uchCRCHi ^ *puchMsg++ ; /* 计算CRC */    uchCRCHi = uchCRCLo ^ auchCRCHi[uIndex] ;    uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex] ;   }   return (uchCRCHi << 8 | uchCRCLo) ;  }//uint16 crc16(uint8 *puchMsg, uint16 usDataLen) //MODBUS状态机,在主程序中调用即可 void checkComm0Modbus(void) {  uint16 crcData;  uint16 tempData;    if(receCount > 4)  {   switch(receBuf[1])   {    // 其它的功能码可以参照协议自行编写    case 1://读取线圈状态(读取点 16位以内)    case 3://读取保持寄存器(一个或多个)    case 5://强制单个线圈    case 6://设置单个寄存器         if(receCount >= 8)      {//接收完成一组数据            //应该关闭接收中断       UCSRB &= ~BIT(7);           if(receBuf[0]==localAddr && checkoutError==0)       {        crcData = crc16(receBuf,6);        if(crcData == receBuf[7]+(receBuf[6]<<8))        {//校验正确         if(receBuf[1] == 1)         {//读取线圈状态(读取点 16位以内)          readCoil();                 }         else if(receBuf[1] == 3)         {//读取保持寄存器(一个或多个)          readRegisters();         }         else if(receBuf[1] == 5)         {//强制单个线圈          forceSingleCoil();                 }         else if(receBuf[1] == 6)         {          //presetSingleRegister();                 }        }       }                  receCount = 0;        checkoutError = 0;        UCSRB |= BIT(7);                 }      break;       case 15://设置多个线圈      tempData = receBuf[6];       tempData += 9; //数据个数      if(receCount >= tempData)      {//应该关闭接收中断       UCSRB &= ~BIT(7);             if(receBuf[0]==localAddr && checkoutError==0)       {        crcData = crc16(receBuf,tempData-2);        if(crcData == (receBuf[tempData-2]<<8)+ receBuf[tempData-1])        {         //forceMultipleCoils();           }       }        receCount = 0;       checkoutError = 0;       UCSRB |= BIT(7);      }      break;        case 16://设置多个寄存器      tempData = (receBuf[4]<<8) + receBuf[5];      tempData = tempData * 2; //数据个数      tempData += 9;      if(receCount >= tempData)      {//应该关闭接收中断       UCSRB &= ~BIT(7);                  if(receBuf[0]==localAddr && checkoutError==0)       {        crcData = crc16(receBuf,tempData-2);        if(crcData == (receBuf[tempData-2]<<8)+ receBuf[tempData-1])        {         presetMultipleRegisters();           }       }        receCount = 0;       checkoutError = 0;       UCSRB |= BIT(7);      }      break;             default:      break;      }  } }