說(shuō)明白了,Modbus RTU通信協(xié)議解析

ID:63113 · 發(fā)表于 2024-6-30 22:36

Modbus協(xié)議在工業(yè)控制、電氣、電子領(lǐng)域是個(gè)很常見(jiàn)的一種通信協(xié)議，很多遇見(jiàn)的傳感器、控制器、變頻器、驅(qū)動(dòng)器之類(lèi)的基本都支持該協(xié)議，常見(jiàn)到什么程度呢，就是你看到的一個(gè)設(shè)備如果支持串口通信的，那么基本很多都內(nèi)置了Modbus協(xié)議。
作為一個(gè)開(kāi)發(fā)者，在做單片機(jī)、PLC、電路板、控制器/箱、儀器儀表、機(jī)電設(shè)備或系統(tǒng)、自動(dòng)化、工控、傳感、數(shù)據(jù)采集、自控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、電子產(chǎn)品、軟件、APP項(xiàng)目過(guò)程中也經(jīng)常會(huì)使用到Modbus協(xié)議，所以不把此協(xié)議搞懂真就沒(méi)法混。
本文介紹Modbus 協(xié)議中的Modbus RTU協(xié)議的相關(guān)知識(shí)，包括理論和案例，該協(xié)議常用于串口通信。

一、 Modbus RTU是什么？
Modbus是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣 Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto），并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。
此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如果回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。
其實(shí)，Modbus協(xié)議包含Modbus TCP，Modbus ASCII，Modbus RTU。Modbus TCP和Modbus ASCII本文不作深入描述，本文主要講Modbus RTU。
概括地說(shuō)，Modbus RTU是一種串行通信協(xié)議，它關(guān)注于通信數(shù)據(jù)層面，主要是規(guī)定通信雙方或者多方的每個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收用什么樣的數(shù)據(jù)格式。
一般來(lái)說(shuō)，串行通信中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一位一位（二進(jìn)制位）地按照一定速率進(jìn)行傳輸?shù)摹?位數(shù)據(jù)組成一個(gè)字節(jié)，Modbus RTU是以字節(jié)為最小基本單元定義數(shù)據(jù)格式的。若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀，Modbus RTU協(xié)議就關(guān)注于這個(gè)數(shù)據(jù)幀里每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)該是怎樣的。

二、 Modbus RTU協(xié)議與RS485、RS232、TTL等串口協(xié)議的關(guān)系是怎樣
它們是不同的概念，側(cè)重于不同方面。
先來(lái)看看RS485、RS232、TTL：RS485、RS232、TTL串口是串口通信中關(guān)于電氣協(xié)議的通信協(xié)議，例如，包括用什么樣的電壓表示1、用什么樣的電壓表示0，起始位、停止位、波特率等是怎樣的。具體如下：
TTL電平：全雙工（邏輯1: 2.4V--5V 邏輯0: 0V--0.5V）;
RS-232電平：全雙工（邏輯1：-15V~-3V 邏輯0：+3V~+15V）;
RS-485：半雙工（邏輯1：+2V~+6V 邏輯0： -6V~-2V）這里的電平指AB 兩線間的電壓差。485由于是差分信號(hào)，具有數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、支持多機(jī)通信（由于是半雙工）的優(yōu)點(diǎn)。

再看Modbus RTU：Modbus RTU是軟件層面的通信協(xié)議，它定義通信中的數(shù)據(jù)幀該是怎么樣的格式，它關(guān)注于數(shù)據(jù)，也就是一個(gè)數(shù)據(jù)幀中每個(gè)字節(jié)該是怎樣的數(shù)據(jù)。
概括地說(shuō)，Modbus RTU和串口RS485、RS232、TTL是不同的概念，但是也有聯(lián)系。Modbus RTU是數(shù)據(jù)層面的，規(guī)定通信的數(shù)據(jù)格式，RS485、RS232、TTL是物理層面的，它們規(guī)定了傳輸?shù)碾姎鈪f(xié)議，Modbus RTU協(xié)議需要運(yùn)行在一定的通信載體（即電氣協(xié)議，如RS485、RS232、TTL等）上。Modbus RTU在RS485、RS232、TTL串口上都能運(yùn)行，常見(jiàn)的是在RS485上走M(jìn)odbus RTU協(xié)議。

三、 Modbus RTU協(xié)議具體是怎樣
Modbus RTU是主從通信模式，需要一個(gè)主機(jī)，一個(gè)或若干個(gè)從機(jī)。
Modbus RTU的數(shù)據(jù)幀一般包含：地址碼、功能碼、若干個(gè)數(shù)據(jù)碼、校驗(yàn)碼。幀與幀之間的時(shí)間間隔為3.5個(gè)字符，即假如兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸位之間的時(shí)間間隔大于3.5個(gè)字符的時(shí)間，就會(huì)被認(rèn)為新的一幀開(kāi)始。一個(gè)Modbus RTU數(shù)據(jù)幀的組成如下：

3.1 Modbus RTU的地址碼
地址碼，用于定義和識(shí)別設(shè)備的地址，地址碼存儲(chǔ)空間為1個(gè)字節(jié)，所以其范圍為0-255，其中0表示廣播.
3.2 Modbus RTU的功能碼和寄存器分區(qū)
表 2 Modbus RTU功能碼
功能碼       名稱(chēng)       寄存器地址       位/字操作       操作數(shù)量
01       讀線圈狀態(tài)       00001~09999       位操作       單個(gè)或多個(gè)
02       讀離散輸入狀態(tài)       10001~19999       位操作       單個(gè)或多個(gè)
03       讀保持寄存器       40001~49999       字操作       單個(gè)或多個(gè)
04       讀輸入寄存器       30001~39999       字操作       單個(gè)或多個(gè)
05       寫(xiě)單個(gè)線圈       00001~09999       位操作       單個(gè)
06       寫(xiě)單個(gè)保持寄存器       40001~49999       字操作       單個(gè)
15       寫(xiě)多個(gè)線圈       00001~09999       位操作       多個(gè)
16       寫(xiě)多個(gè)保持寄存器       40001~49999       字操作       多個(gè)
常見(jiàn)的功能碼有01、02、03、04、05、06、15、16等，分別表示著讀線圈狀態(tài)、讀離散輸入狀態(tài)、讀保持寄存器、讀輸入寄存器、寫(xiě)單個(gè)線圈、寫(xiě)單個(gè)保持寄存器、寫(xiě)多個(gè)線圈、寫(xiě)多個(gè)保持寄存器的功能。
寄存器分區(qū)：
線圈，可以看作是一個(gè)可讀可寫(xiě)的位變量，Modbus RTU支持對(duì)其的讀寫(xiě)操作。允許多位操作。
離散輸入寄存器，可以看作是一個(gè)只讀的位變量，Modbus RTU支持對(duì)其的讀操作。
保持寄存器，可以看作是一個(gè)可讀可寫(xiě)的字節(jié)變量，Modbus RTU支持對(duì)其的讀寫(xiě)操作。允許多字節(jié)操作。一個(gè)保持寄存器為2個(gè)字節(jié)。
輸入寄存器，可以看作是一個(gè)只讀的字節(jié)變量，Modbus RTU支持對(duì)其的讀操作。一個(gè)輸入寄存器為2個(gè)字節(jié)。
寄存器地址：Modbus RTU的寄存器地址有00001~09999（0區(qū)，表示線圈寄存器）、10001~19999（1區(qū)，表示離散輸入寄存器）、30001~39999（3區(qū)，表示輸入寄存器）、40001~49999（4區(qū)，表示保持寄存器），其中3區(qū)和4區(qū)，每個(gè)寄存器由2個(gè)字節(jié)組成。
注意：在Modbus二進(jìn)制數(shù)據(jù)指令里，表示寄存器地址的指令數(shù)據(jù)是從0開(kāi)始的，Modbus RTU的寄存器地址是從1開(kāi)始，注意對(duì)應(yīng)關(guān)系。
用功能碼是可以識(shí)別到Modbus寄存器分區(qū)的，所以在Modbus二進(jìn)制數(shù)據(jù)指令里，是不填寫(xiě)分區(qū)代碼的，這在第四、節(jié)的案例里可以看出對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3.3 Modbus RTU的數(shù)據(jù)位
Modbus RTU的數(shù)據(jù)位根據(jù)不同的功能碼有不同的長(zhǎng)度。
3.4 Modbus RTU的數(shù)據(jù)校驗(yàn)
Modbus RTU采用CRC-16校驗(yàn)，對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)幀里校驗(yàn)數(shù)據(jù)前面所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，得出的校驗(yàn)結(jié)果為2個(gè)字節(jié)，低字節(jié)在前(先發(fā))，高字節(jié)在后(后發(fā))。
一個(gè)參考的單片機(jī)CRC計(jì)算C程序如下：
#include "crc16.h"
unsigned short modbus_crc_16(unsigned char *adata,unsigned int asize)       //CRC計(jì)算：計(jì)算結(jié)果為16位數(shù)據(jù)，CRC低字節(jié)在左，高字節(jié)在右
{
unsigned short crc_out=0xffff;
unsigned int i,j;
unsigned char crc_low,crc_high;
for(i=0;i<asize;i++)
      {
      crc_out^=adata[ i];
      for(j=0;j<8;j++)
            {
            if ((crc_out&0x01)==0x01)
                     {
                     crc_out>>=1;
                     crc_out^=0xa001;
                     }
            else
                     {
                     crc_out>>=1;
                     }
            }
      }
//exchange high and low 8 bits
crc_low=(unsigned char)crc_out;
crc_high=(unsigned char)(crc_out>>8);
crc_out=(unsigned int)((crc_low<<8)+crc_high);
return crc_out;
}

四、不理解嗎？來(lái)點(diǎn)例子，Modbus RTU數(shù)據(jù)幀案例詳解（重點(diǎn)）
為了更清晰地理解，本節(jié)介紹Modbus RTU的通信例子。本章節(jié)大部分內(nèi)容引用自網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)。
4.1 讀取輸出線圈狀態(tài)
01功能碼的作用是讀取從站里輸出線圈的狀態(tài)，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)，返回的線圈數(shù)據(jù)由低位線圈到高位線圈，注意這里的線圈數(shù)量是表示有多少個(gè)二進(jìn)制位。

關(guān)于CRC:
上圖中從站返回的除了校驗(yàn)碼的數(shù)據(jù)是0x11 0x 01 0x 04 0x cd 0x 6b 0x b2 0x 05,那么計(jì)算出來(lái)的CRC結(jié)果為0x 11 0x C3，其中0x 11是低字節(jié)，0x C3是高字節(jié)，那么完整的數(shù)據(jù)幀是：0x11 0x 01 0x 04 0x cd 0x 6b 0x b2 0x 05 0x 11 0x C3。CRC可以通過(guò)3.4節(jié)中的程序計(jì)算，或者使用網(wǎng)絡(luò)上的CRC在線計(jì)算工具。
4.2 讀取離散輸入狀態(tài)
02功能碼的作用是讀取從站輸入線圈的狀態(tài)，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)，返回的線圈數(shù)據(jù)由低位線圈到高位線圈，注意這里的線圈數(shù)量也是表示有多少個(gè)二進(jìn)制位。

4.3 讀取保持寄存器
03功能碼的作用是讀取從站保持寄存器的狀態(tài)，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)，返回的寄存器數(shù)據(jù)由低位寄存器到高位寄存器，注意這里的每個(gè)寄存器有2個(gè)字節(jié)組成，寄存器先發(fā)低的再發(fā)高的，每個(gè)寄存器先發(fā)高字節(jié)，再發(fā)低字節(jié)。

4.4 讀取輸入寄存器
04功能碼的作用是讀取從站輸入寄存器的狀態(tài)，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)，返回的寄存器數(shù)據(jù)由低位寄存器到高位寄存器，注意這里的每個(gè)寄存器有2個(gè)字節(jié)組成，寄存器先發(fā)低的再發(fā)高的，每個(gè)寄存器先發(fā)高字節(jié)，再發(fā)低字節(jié)。

4.5 強(qiáng)制單個(gè)線圈
05功能碼的作用是設(shè)置從站的單個(gè)線圈值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)。

4.6 強(qiáng)制多個(gè)線圈
0F功能碼的作用是設(shè)置從站的多個(gè)線圈值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)。

4.7 預(yù)置單個(gè)寄存器
06功能碼的作用是設(shè)置從站的單個(gè)寄存器值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)。

4.8 預(yù)置多個(gè)寄存器
10功能碼的作用是設(shè)置從站的多個(gè)寄存器值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)。

編程時(shí)，可以把Modbus RTU的線圈看作為位變量，寄存器看作為雙字節(jié)變量（一個(gè)寄存器為2個(gè)字節(jié)，16位）。
可以看出，Modbus RTU是主從模式，是主站發(fā)出指令，從站響應(yīng)，從站不能直接主動(dòng)地向主站發(fā)出指令。
Modbus RTU基本可以在所有串行通信里面使用，但是Modbus RTU一般在RS485通信里使用得較多一些。
后續(xù)大可能會(huì)寫(xiě)單片機(jī)與昆侖通態(tài)觸摸屏通信的實(shí)操，如有興趣可以關(guān)注避免失誤。
如有錯(cuò)誤，感謝指正。本文有一部分資料來(lái)自網(wǎng)絡(luò)資源，感謝其他大牛的分享，綠水青山，后會(huì)有期，全文暫時(shí)完。
沙鷗成都 2024-6