Modbus協(xié)議在工業(yè)控制、電氣、電子領(lǐng)域是個很常見的一種通信協(xié)議，很多遇見的傳感器、控制器、變頻器、驅(qū)動器之類的基本都支持該協(xié)議，常見到什么程度呢，就是你看到的一個設(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。
作為一個開發(fā)者，在做單片機、PLC、電路板、控制器/箱、儀器儀表、機電設(shè)備或系統(tǒng)、自動化、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項目過程中也經(jīng)常會使用到Modbus協(xié)議，所以不把此協(xié)議搞懂真就沒法混。
本文介紹Modbus 協(xié)議中的Modbus RTU協(xié)議的相關(guān)知識，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)界標準（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)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。
其實，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，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。
一般來說，串行通信中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一位一位（二進制位）地按照一定速率進行傳輸?shù)摹?位數(shù)據(jù)組成一個字節(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)注于這個數(shù)據(jù)幀里每個字節(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，具有數(shù)據(jù)傳輸遠、抗干擾能力強、支持多機通信（由于是半雙工）的優(yōu)點。
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)，也就是一個數(shù)據(jù)幀中每個字節(jié)該是怎樣的數(shù)據(jù)。
概括地說，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串口上都能運行，常見的是在RS485上走Modbus RTU協(xié)議。
三、 Modbus RTU協(xié)議具體是怎樣
Modbus RTU是主從通信模式，需要一個主機，一個或若干個從機。
Modbus RTU的數(shù)據(jù)幀一般包含：地址碼、功能碼、若干個數(shù)據(jù)碼、校驗碼。幀與幀之間的時間間隔為3.5個字符，即假如兩個數(shù)據(jù)傳輸位之間的時間間隔大于3.5個字符的時間，就會被認為新的一幀開始。一個Modbus RTU數(shù)據(jù)幀的組成如下：
3.1 Modbus RTU的地址碼
地址碼，用于定義和識別設(shè)備的地址，地址碼存儲空間為1個字節(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 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 單個或多個
02 讀離散輸入狀態(tài) 10001~19999 位操作 單個或多個
03 讀保持寄存器 40001~49999 字操作 單個或多個
04 讀輸入寄存器 30001~39999 字操作 單個或多個
05 寫單個線圈 00001~09999 位操作 單個
06 寫單個保持寄存器 40001~49999 字操作 單個
15 寫多個線圈 00001~09999 位操作 多個
16 寫多個保持寄存器 40001~49999 字操作 多個
常見的功能碼有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、寫單個線圈、寫單個保持寄存器、寫多個線圈、寫多個保持寄存器的功能。
寄存器分區(qū)：
線圈，可以看作是一個可讀可寫的位變量，Modbus RTU支持對其的讀寫操作。允許多位操作。
離散輸入寄存器，可以看作是一個只讀的位變量，Modbus RTU支持對其的讀操作。
保持寄存器，可以看作是一個可讀可寫的字節(jié)變量，Modbus RTU支持對其的讀寫操作。允許多字節(jié)操作。一個保持寄存器為2個字節(jié)。
輸入寄存器，可以看作是一個只讀的字節(jié)變量，Modbus RTU支持對其的讀操作。一個輸入寄存器為2個字節(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)，每個寄存器由2個字節(jié)組成。
注意：在Modbus二進制數(shù)據(jù)指令里，表示寄存器地址的指令數(shù)據(jù)是從0開始的，Modbus RTU的寄存器地址是從1開始，注意對應(yīng)關(guān)系。
用功能碼是可以識別到Modbus寄存器分區(qū)的，所以在Modbus二進制數(shù)據(jù)指令里，是不填寫分區(qū)代碼的，這在第四、節(jié)的案例里可以看出對應(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度。
3.4 Modbus RTU的數(shù)據(jù)校驗
Modbus RTU采用CRC-16校驗，對一個數(shù)據(jù)幀里校驗數(shù)據(jù)前面所有的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，得出的校驗結(jié)果為2個字節(jié)，低字節(jié)在前(先發(fā))，高字節(jié)在后(后發(fā))。
一個參考的單片機CRC計算C程序如下：
#include "crc16.h"
unsigned short modbus_crc_16(unsigned char *adata,unsigned int asize) //CRC計算：計算結(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？來點例子，Modbus RTU數(shù)據(jù)幀案例詳解（重點）
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。
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)并返回數(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)量是表示有多少個二進制位。
關(guān)于CRC:
上圖中從站返回的除了校驗碼的數(shù)據(jù)是0x11 0x 01 0x 04 0x cd 0x 6b 0x b2 0x 05,那么計算出來的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3.4節(jié)中的程序計算，或者使用網(wǎng)絡(luò)上的CRC在線計算工具。
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)并返回數(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二進制位。
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)并返回數(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，注意這里的每個寄存器有2個字節(jié)組成，寄存器先發(fā)低的再發(fā)高的，每個寄存器先發(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)并返回數(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，注意這里的每個寄存器有2個字節(jié)組成，寄存器先發(fā)低的再發(fā)高的，每個寄存器先發(fā)高字節(jié)，再發(fā)低字節(jié)。
4.5 強制單個線圈
05功能碼的作用是設(shè)置從站的單個線圈值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回數(shù)據(jù)。
4.6 強制多個線圈
0F功能碼的作用是設(shè)置從站的多個線圈值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回數(shù)據(jù)。
4.7 預置單個寄存器
06功能碼的作用是設(shè)置從站的單個寄存器值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回數(shù)據(jù)。
4.8 預置多個寄存器
10功能碼的作用是設(shè)置從站的多個寄存器值，主站發(fā)送指令后從站響應(yīng)并返回數(shù)據(jù)。
編程時，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（一個寄存器為2個字節(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)大可能會寫單片機與昆侖通態(tài)觸摸屏通信的實操，如有興趣可以關(guān)注避免失誤。
如有錯誤，感謝指正。本文有一部分資料來自網(wǎng)絡(luò)資源，感謝其他大牛的分享，綠水青山，后會有期，全文暫時完。
沙鷗 成都 2024-6
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