modbus通讯协议及其原理

雨点打透心脏的1/2处 2022-08-19 14:23 186阅读 0赞

因工作需要，简单学习了modbus协议，大学本想学自动化的，结果无缘，学习一下也算稍微弥补这一憾事了。  
1.什么是modbus协议，主要应用在哪些方面？(来源于： [http://www.emtronix.com/product/ModBus\_software.html][http_www.emtronix.com_product_ModBus_software.html] )     
 Modbus协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。Modbus通讯物理接口可以选用串口（包 括RS232和RS485），也可以选择以太网口。  
2.modbus通信协议方式和数据包结构？  
 ModBus 通讯协议分为 RTU(远方数据终端) 协议和 ASCII 协议：

当控制器设为在Modbus网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信，在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个 字节包含两个4Bit的十六进制 字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率 下，可比ASCII方式传送更多的数据   
 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：

<table style="word-wrap:break-word; padding:0.75pt"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 编&nbsp;码&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 8位二进制&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 起始位&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 1位&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 数据位&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 8位&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 奇偶校验位&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 1位（偶校验位）&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 停止位&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 1位&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 错误校检&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> CRC（冗余循环码）&nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

CRC码：二字节的错误检测码。

通讯规约：

当通讯命令发送至仪器时，符合相应地址码的设备接通讯命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务；然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。如果出错就不发送任何信息。

1．信息帧结构

地址码：地址码是信息帧的第一字节(8位)，从0到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送。当从机回送信息时，相当的地址码表明该信息来自于何处。

功能码：主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。表1-1列出的功能码都有具体的含义及操作。

<table style="word-wrap:break-word; padding:0.75pt"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 代码&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 含义&nbsp; </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 操作&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 03 </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 读取数据 </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 读取当前寄存器内一个或多个二进制值 </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 06 </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 重置单一寄存器 </td> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; border:0.75pt outset rgb(0,0,0)"> 把设置的二进制值写入单一寄存器 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

数据区：数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。

错误校验码：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时，由于电子噪声或其它一些干扰，信息在传输过程中会发生细微的变化，错误校验码保证了主机或从机对在传送过程中出错的信息不起作用。这样增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。

注：信息帧的格式都基本相同：地址码、功能码、数据区和错误校验码。

2．错误校验

冗余循环码（CRC）包含2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的 CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。

CRC码的计算方法是，先预置16位寄存器全为1。再逐步把每8位数据信息进行处理。在进行CRC码计算时只用8位数据位，起始位及停止位，如有奇偶校验位的话也包括奇偶校验位，都不参与CRC码计算。

在计算CRC码时，8位数据与寄存器的数据相异或，得到的结果向低位移一字节，用0填补最高位。再检查最低位，如果最低位为1，把寄存器的内容与预置数相异或，如果最低位为0，不进行异或运算。

这个过程一直重复8次。第8次移位后，下一个8位再与现在寄存器的内容相相异或，这个过程与以上一样重复8次。当所有的数据信息处理完后，最后寄存器的内容即为CRC码值。CRC码中的数据发送、接收时低字节在前。

计算CRC码的步骤为：

§ 预置16位寄存器为十六进制FFFF（即全为1）。称此寄存器为CRC寄存器；

§ 把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CRC寄存器；

§ 把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，检查最低位；

§ 如果最低位为0：重复第3步(再次移位); 如果最低位为1：CRC寄存器与多项式A001（1010 0000 0000 0001）进行异或；

§ 重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；

§ 重复步骤2到步骤5，进行下一个8位数据的处理；

§ 最后得到的CRC寄存器即为CRC码。

3．功能码03，读取点和返回值：

仪表采用Modbus RTU通讯规约，利用通讯命令，可以进行读取点(“保持寄存器”) 或返回值(“输入寄存器” )的操作。保持和输入寄存器都是16位（2字节）值，并且高位在前。这样用于仪表的读取点和返回值都是2字节。一次最多可读取寄存器数是60。由于一些可编程控制器不用功能码03，所以功能码03被用作读取点和返回值。从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区中的寄存器数据都是每两个字节高字节在前。

4．功能码06，单点保存

主机利用这条命令把单点数据保存到仪表的存储器。从机也用这个功能码向主机返送信息。

[http_www.emtronix.com_product_ModBus_software.html]: http://www.emtronix.com/product/ModBus_software.html