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         Modbus通信協(xié)議
 

一、Modbus 協(xié)議簡介

Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言,。通過此協(xié)議,，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信,。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準,。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),，進行集中監(jiān)控,。

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,。

當在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時,，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息,，決定要產(chǎn)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(xié)議發(fā)出,。在其它網(wǎng)絡(luò)上,，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址,、路由路徑及錯誤檢測的方法,。

1,、在Modbus網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)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(jīng)由Modem組網(wǎng),。

控制器通信使用主—從技術(shù),，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應反應,。典型的主設(shè)備：主機和可編程儀表,。典型的從設(shè)備：可編程控制器。

主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信,，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信,。如果單獨通信，從設(shè)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(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址,、功能代碼,、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域,。

從設(shè)備回應消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成,，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù),、和一錯誤檢測域,。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令,，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去,。

2、在其它類型網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸

在其它網(wǎng)絡(luò)上,，控制器使用對等技術(shù)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(shè)備也可作為從設(shè)備,。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。

在消息位,，Modbus協(xié)議仍提供了主—從原則,，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對等”,。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備,，并期望從從設(shè)備得到回應,。同樣，當控制器接收到一消息,，它將建立一從設(shè)備回應格式并返回給發(fā)送的控制器,。

3、查詢—回應周期

（1）查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能,。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容,。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量,。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

（2）回應

如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應,，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應,。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生,，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的,，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認消息內(nèi)容是否可用,。

二,、兩種傳輸方式

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式,，包括串口通信參數(shù)（波特率,、校驗方式等），在配置每個控制器的時候,，在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù),。

ASCII模式

RTU模式

所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼,。

在其它網(wǎng)絡(luò)上（象MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。

1,、ASCII模式

當控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII（美國標準信息交換代碼）模式通信,，在消息中的每個8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤,。

代碼系統(tǒng)

• 十六進制,，ASCII字符0...9，A...F

• 消息中的每個ASCII字符都是一個十六進制字符組成

每個字節(jié)的位

• 1個起始位

• 7個數(shù)據(jù)位,，最小的有效位先發(fā)送

• 1個奇偶校驗位,，無校驗則無

• 1個停止位（有校驗時）,，2個Bit（無校驗時）

錯誤檢測域

• LRC(縱向冗長檢測)

2、RTU模式

當控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠程終端單元）模式通信,，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進制字符,。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù),。

代碼系統(tǒng)

• 8位二進制,，十六進制數(shù)0...9，A...F

• 消息中的每個8位域都是一個兩個十六進制字符組成

每個字節(jié)的位

• 1個起始位

• 8個數(shù)據(jù)位,，最小的有效位先發(fā)送

• 1個奇偶校驗位,，無校驗則無

• 1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）

錯誤檢測域

• CRC(循環(huán)冗長檢測)

三,、Modbus消息幀

兩種傳輸模式中（ASCII或RTU）,，傳輸設(shè)備以將Modbus消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作,，讀地址分配信息,，判斷哪一個設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)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(shè)置為返回結(jié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測“:”字符,，當有一個冒號接收到時，每個設(shè)備都解碼下個域（地址域）來判斷是否發(fā)給自己的,。

消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1秒,，否則接收的設(shè)備將認為傳輸錯誤。一個典型消息幀如下所示：

圖2 ASCII消息幀

2,、RTU幀

使用RTU模式,，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時間,，這是最容易實現(xiàn)的(如下圖的T1-T2-T3-T4所示),。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M制的0...9,A...F,。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi),。當?shù)谝粋€域（地址域）接收到,，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)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(jié)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(xù)的流轉(zhuǎn)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(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)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(nèi)接著前個消息開始,，接收的設(shè)備將認為它是前一消息的延續(xù),。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,。一典型的消息幀如下所示：

圖3 RTU消息幀

3,、地址域

消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8Bit（RTU）?？赡艿膹脑O(shè)備地址是0...247 (十進制)。單個設(shè)備的地址范圍是1...247,。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備,。當從設(shè)備發(fā)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(shè)備知道是哪一個設(shè)備作出回應,。

地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認識,。當Modbus協(xié)議用于更高水準的網(wǎng)絡(luò),，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(shè)備發(fā)往從設(shè)備時，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為,。例如去讀取輸入的開關(guān)狀態(tài),，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài),，允許調(diào)入,、記錄,、校驗在從設(shè)備中的程序等。

當從設(shè)備回應時,，它使用功能代碼域來指示是正?；貞?無誤)還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異議回應）。對正?；貞?，從設(shè)備僅回應相應的功能代碼。對異議回應,，從設(shè)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(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息要求讀一組保持寄存器,，將產(chǎn)生如下功能代碼：

0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制03H）

對正?；貞瑥脑O(shè)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(shè)備將一*的代碼放到回應消息的數(shù)據(jù)域中,，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯誤,。

主設(shè)備應用程序得到異議的回應后，典型的處理過程是重發(fā)消息,，或者診斷發(fā)給從設(shè)備的消息并報告給操作員,。

5、數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域是由兩個十六進制數(shù)集合構(gòu)成的,，范圍00...FF,。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須用于進行執(zhí)行由功能代碼所定義的所為,。這包括了象不連續(xù)的寄存器地址，要處理項的數(shù)目,，域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),。

例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼03）,，數(shù)據(jù)域起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量,。如果主設(shè)備寫一組從設(shè)備的寄存器（功能代碼10十六進制），數(shù)據(jù)域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數(shù)量,，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。

如果沒有錯誤發(fā)生，從從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請求的數(shù)據(jù),。如果有錯誤發(fā)生,，此域包含一異議代碼，主設(shè)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(shù)據(jù)域可以是不存在的（0長度）,。例如，主設(shè)備要求從設(shè)備回應通信事件記錄（功能代碼0B十六進制）,，從設(shè)備不需任何附加的信息,。

6、錯誤檢測域

標準的Modbus網(wǎng)絡(luò)有兩種錯誤檢測方法,。錯誤檢測域的內(nèi)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(nèi)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(xiàn))。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)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(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié),。

7、字符的連續(xù)傳輸

當消息在標準的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時,，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：有效位...最高有效位

使用ASCII字符幀時,，位的序列是：

有奇偶校驗

無奇偶校驗

圖4. 位順序（ASCII）

使用RTU字符幀時，位的序列是：

有奇偶校驗

無奇偶校驗

圖4. 位順序（RTU）

四,、錯誤檢測方法

標準的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)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(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的,，從設(shè)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(shè)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(shè)備都能作為正常反應。如果從設(shè)備測到一傳輸錯誤,，消息將不會接收,，也不會向主設(shè)備作出回應。這樣超時事件將觸發(fā)主設(shè)備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設(shè)備的地址也會產(chǎn)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(shè)置的,。

如果奇或偶校驗，“1”的位數(shù)將算到每個字符的位數(shù)中（ASCII模式7個數(shù)據(jù)位,，RTU中8個數(shù)據(jù)位）,。例如RTU字符幀中包含以下8個數(shù)據(jù)位：

1 1 0 0 0 1 0 1

整個“1”的數(shù)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(shù)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(shù)是5個。

如果沒有奇偶校驗位,，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?shù)淖址麕小?/p>

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(jié)束的回車換行號外的內(nèi)容,。

LRC域是一個包含一個8位二進制值的字節(jié),。LRC值由傳輸設(shè)備來計算并放到消息幀中，接收設(shè)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(jié)連續(xù)累加,，丟棄了進位。