Modbus通訊協議

MODBUS通訊協議簡介
工業控制已從單機控制走向集中監控、集散控制，如今已進入網絡時代，工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。Modbus就是工業控制器的網絡協議中的一種。
一、概述
Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。
此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。
當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。
1、在Modbus網絡上轉輸
標準的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經由Modem組網。控制器通信使用主—從技術，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢）。其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。典型的主設備：主機和可編程儀表。典型的從設備：可編程控制器。
主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發送的數據、一錯誤檢測域。
從設備回應消息也由Modbus協議構成，包括確認要行動的域、任何要返回的數據、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發生一錯誤，或從設備不能執行其命令，從設備將建立一錯誤消息并把它作為回應發送出去。
2、在其它類型網絡上轉輸
在其它網絡上，控制器使用對等技術通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。提供的多個內部通道可允許同時發生的傳輸進程。
在消息位，Modbus協議仍提供了主—從原則，盡管網絡通信方法是“對等”。如果一控制器發送一消息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一消息，它將建立一從設備回應格式并返回給發送的控制器。
Modbus是Modicon公司為其PLC與主機之間的通訊而發明的串行通訊協議。其物理層采用RS232、485等異步串行標準。由于其開放性而被大量的PLC及RTU廠家采用。
Modbus通訊方式采用主從方式的查詢－相應機制，只有主站發出查詢時，從站才能給出響應，從站不能主動發送數據。主站可以向某一個從站發出查詢，也可以向所有從站廣播信息。從站只響應單獨發給它的查詢，而不響應廣播消息。
Modbus的串行口的通訊參數（如波特率、奇偶校驗）可由用戶選擇。
二、MODBUS協議傳送方式
MODBUS通訊協議有兩種傳送方式:RTU方式和ASCII方式,兩種方式如下所示:
項目 RTU方式 ASCII方式
字節長度 8 BITS 7 BITS
奇偶校驗 1 BIT or 0 BIT 1 BIT or 0 BIT
字節中止 1 BIT or 2 BITS 1 BIT or 2 BITS
開始標記 不要 :(冒號)
結束標記 不要 CR,LF
數據間隔 < 24 BIT < 1S
出錯檢驗方式 CRC-16 LRC
控制器能設置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網絡通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。
三、Modbus消息幀
兩種傳輸模式中（ASCII或RTU），傳輸設備以將Modbus消息轉為有起點和終點的幀，這就允許接收的設備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設備被選中（廣播方式則傳給所有設備），判知何時信息已完成。部分的消息也能偵測到并且錯誤能設置為返回結果。
1、ASCII幀
使用ASCII模式，消息以冒號（:）字符（ASCII碼 3AH）開始，以回車換行符結束（ASCII碼 0DH,0AH）。
其它域可以使用的傳輸字符是十六進制的0...9,A...F。網絡上的設備不斷偵測“:”字符，當有一個冒號接收到時，每個設備都解碼下個域（地址域）來判斷是否發給自己的。
消息中字符間發送的時間間隔最長不能超過1秒，否則接收的設備將認為傳輸錯誤。
2、RTU幀
使用RTU模式，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在網絡波特率下多樣的字符時間，這是最容易實現的(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。傳輸的第一個域是設備地址。可以使用的傳輸字符是十六進制的0...9,A...F。網絡設備不斷偵測網絡總線，包括停頓間隔時間內。當第一個域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。

整個消息幀必須作為一連續的流轉輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內接著前個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續。這將導致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。
3、地址域
消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8Bit（RTU）。可能的從設備地址是0...247 (十進制)。單個設備的地址范圍是1...247。主設備通過將要聯絡的從設備的地址放入消息中的地址域來選通從設備。當從設備發送回應消息時，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個設備作出回應。
地址0是用作廣播地址，以使所有的從設備都能認識。當Modbus協議用于更高水準的網絡，廣播可能不允許或以其它方式代替。
4、如何處理功能域
消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII）或8Bits（RTU）。可能的代碼范圍是十進制的1...255。當然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應用于某種控制器，還有些保留以備后用。
當消息從主設備發往從設備時，功能代碼域將告之從設備需要執行哪些行為。例如去讀取輸入的開關狀態，讀一組寄存器的數據內容，讀從設備的診斷狀態，允許調入、記錄、校驗在從設備中的程序等。
當從設備回應時，它使用功能代碼域來指示是正常回應(無誤)還是有某種錯誤發生（稱作異議回應）。對正常回應，從設備僅回應相應的功能代碼。對異議回應，從設備返回一等同于正常代碼的代碼，但最重要的位置為邏輯1。
例如：一從主設備發往從設備的消息要求讀一組保持寄存器，將產生如下功能代碼：
0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制03H）
對正常回應，從設備僅回應同樣的功能代碼。對異議回應，它返回：
1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制83H）
除功能代碼因異議錯誤作了修改外，從設備將一獨特的代碼放到回應消息的數據域中，這能告訴主設備發生了什么錯誤。
主設備應用程序得到異議的回應后，典型的處理過程是重發消息，或者診斷發給從設備的消息并報告給操作員。 \
5、數據域
數據域是由兩個十六進制數集合構成的，范圍00...FF。根據網絡傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由一RTU字符組成。
從主設備發給從設備消息的數據域包含附加的信息：從設備必須用于進行執行由功能代碼所定義的所為。這包括了象不連續的寄存器地址，要處理項的數目，域中實際數據字節數。
例如，如果主設備需要從設備讀取一組保持寄存器（功能代碼03），數據域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數量。如果主設備寫一組從設備的寄存器（功能代碼10十六進制），數據域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數量，數據域的數據字節數，要寫入寄存器的數據。
如果沒有錯誤發生，從從設備返回的數據域包含請求的數據。如果有錯誤發生，此域包含一異議代碼，主設備應用程序可以用來判斷采取下一步行動。
在某種消息中數據域可以是不存在的（0長度）。例如，主設備要求從設備回應通信事件記錄（功能代碼0B十六進制），從設備不需任何附加的信息。
6、錯誤檢測域
標準的Modbus網絡有兩種錯誤檢測方法。錯誤檢測域的內容視所選的檢測方法而定。
ASCII
當選用ASCII模式作字符幀，錯誤檢測域包含兩個ASCII字符。這是使用LRC（縱向冗長檢測）方法對消息內容計算得出的，不包括開始的冒號符及回車換行符。LRC字符附加在回車換行符前面。
RTU
當選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16Bits值(用兩個8位的字符來實現)。錯誤檢測域的內容是通過對消息內容進行循環冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節然后是高字節。故CRC的高位字節是發送消息的最后一個字節。
7、字符的連續傳輸
當消息在標準的Modbus系列網絡傳輸時，每個字符或字節以如下方式發送（從左到右）：
最低有效位...最高有效位
四、錯誤檢測方法
標準的Modbus串行網絡采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測（LRC或CRC）應用于整個消息。它們都是在消息發送前由主設備產生的，從設備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。
用戶要給主設備配置一預先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設備都能作為正常反應。如果從設備測到一傳輸錯誤，消息將不會接收，也不會向主設備作出回應。這樣超時事件將觸發主設備來處理錯誤。發往不存在的從設備的地址也會產生超時。
1、奇偶校驗
用戶可以配置控制器是奇或偶校驗，或無校驗。這將決定了每個字符中的奇偶校驗位是如何設置的。 如果指定了奇或偶校驗，“1”的位數將算到每個字符的位數中（ASCII模式7個數據位，RTU中8個數據位）。例如RTU字符幀中包含以下8個數據位：
1 10 0 0 1 0 1
整個“1”的數目是4個。如果便用了偶校驗，幀的奇偶校驗位將是0，便得整個“1”的個數仍是4個。如果便用了奇校驗，幀的奇偶校驗位將是1，便得整個“1”的個數是5個。
如果沒有指定奇偶校驗位，傳輸時就沒有校驗位，也不進行校驗檢測。代替一附加的停止位填充至要傳輸的字符幀中。
2、LRC檢測
使用ASCII模式，消息包括了一基于LRC方法的錯誤檢測域。LRC域檢測了消息域中除開始的冒號及結束的回車換行號外的內容。
LRC域是一個包含一個8位二進制值的字節。LRC值由傳輸設備來計算并放到消息幀中，接收設備在接收消息的過程中計算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說明有錯誤。
LRC方法是將消息中的8Bit的字節連續累加，丟棄了進位。
LRC簡單函數如下：
static unsigned char LRC(auchMsg,usDataLen)
unsigned char *auchMsg ; /* 要進行計算的消息 */
unsigned short usDataLen ; /* LRC 要處理的字節的數量*/
{ unsigned char uchLRC = 0 ; /* LRC 字節初始化 */
while (usDataLen--) /* 傳送消息 */
uchLRC += *auchMsg++ ; /* 累加*/
return ((unsigned char)(-((char_uchLRC))) ;
}
3、CRC檢測
使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的錯誤檢測域。CRC域檢測了整個消息的內容。
CRC域是兩個字節，包含一16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。
CRC是先調入一值是全“1”的16位寄存器，然后調用一過程將消息中連續的8位字節各當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數據對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。
CRC產生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內容相或（OR），結果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節又單獨和寄存器的當前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節都執行之后的CRC值。
CRC添加到消息中時，低字節先加入，然后高字節。
ModBus網絡是一個工業通信系統，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統結構既包括硬件、亦包括軟件。它可應用于各種數據采集和過程監控。
ModBus網絡只有一個主機，所有通信都由他發出。網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數要由所用通信設備決定。采用這個系統，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執行本身的控制任務。
（1）ModBus的傳輸方式
在ModBus系統中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠程終端設備）。
ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortan）編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于機器語言編程的計算機和PC主機。
用RTU模式傳輸的數據是8位二進制字符。如欲轉換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉換成十六進制等量值。用以構成報文的ASCII字符都是十六進制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數據的譯瑪和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續數據流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產生長達1s的間隔，以適應速度較快的機器。
（2）ModBus的數據校驗方式
CRC-16（循環冗余錯誤校驗）
CRC-16錯誤校驗程序如下：報文（此處只涉及數據位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗位）被看作是一個連續的二進制，其最高有效位（MSB）首選發送。報文先與X↑16相乘（左移16位），然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進制數11000000000000101。整數商位忽略不記，16位余數加入該報文（MSB先發送），成為2個CRC校驗字節。余數中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經上述處理而含有CRC字節的報文，若無錯誤，到接收設備后再被同一多項式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，會得到一個零余數（接收設備核驗這個CRC字節，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運算以2為模（無進位）。
習慣于成串發送數據的設備會首選送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情況下，發送首位應是被除數的最高有效位MSB。由于在運算中不用進位，為便于操作起見，計算CRC時設MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數。
生成CRC-16校驗字節的步驟如下：
①裝如一個16位寄存器，所有數位均為1。
②該16位寄存器的高位字節與開始8位字節進行“異或”運算。運算結果放入這個16位寄存器。
③把這個16寄存器向右移一位。
④若向右（標記位）移出的數位是1，則生成多項式1010000000000001和這個寄存器進行“異或”運算；若向右移出的數位是0，則返回③。
⑤重復③和④，直至移出8位。
⑥另外8位與該十六位寄存器進行“異或”運算。
⑦重復③~⑥，直至該報文所有字節均與16位寄存器進行“異或”運算，并移位8次。
⑧這個16位寄存器的內容即2字節CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。
另外，在某些非ModBus通信協議中也經常使用CRC16作為校驗手段，而且產生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式X↑16+X↑15+X↑2+1，單首次裝入的16位寄存器為0000；使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。
LRC（縱向冗余錯誤校驗）
LRC錯誤校驗用于ASCII模式。這個錯誤校驗是一個8位二進制數，可作為2個ASCII十六進制字節傳送。把十六進制字符轉換成二進制，加上無循環進位的二進制字符和二進制補碼結果生成LRC錯誤校驗（參見圖）。這個LRC在接收設備進行核驗，并與被傳送的LRC進行比較，冒號（：）、回車符號（CR）、換行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六進制字符在運算時忽略不計。
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