Modbus協(xié)議

　　Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，在1979年末該公司成為施耐德自動(dòng)化(Schneider Automation)部門(mén)的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，Modbus協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢(xún)問(wèn)方。 Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒(méi)有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(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。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實(shí)現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)。 Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)，但TCP模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗(yàn)，因?yàn)門(mén)CP協(xié)議是一個(gè)面向連接的可靠協(xié)議。另外，Modbus采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用中如果某Slave站點(diǎn)斷開(kāi)后（如故障或關(guān)機(jī)），Master端可以診斷出來(lái)，而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動(dòng)接通。ModBus RTU協(xié)議簡(jiǎn)要介紹如下：

（一）、通訊傳送方式

　　通訊傳送分為獨(dú)立的信息頭，和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)。以下的通訊傳送方式定義也與Modbus RTU通訊規(guī)約相兼容

　　編碼 8位二進(jìn)制
　　起始位 1位
　　數(shù)據(jù)位 8位
　　奇偶校驗(yàn)位 1位（偶校驗(yàn)位）
　　停止位 1位
　　　錯(cuò)誤校檢 CRC（冗余循環(huán)碼）

　　初始結(jié)構(gòu) = ≥4字節(jié)的時(shí)間
　　地址碼 = 1 字節(jié)
　　功能碼 = 1 字節(jié)
　　數(shù)據(jù)區(qū) = N 字節(jié)
　　錯(cuò)誤校檢 = 16位CRC碼
　　結(jié)束結(jié)構(gòu) = ≥4字節(jié)的時(shí)間
 

　　地址碼：地址碼為通訊傳送的第一個(gè)字節(jié)。這個(gè)字節(jié)表明由用戶(hù)設(shè)定地址碼的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的信息。并且每個(gè)從機(jī)都有具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開(kāi)始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。
 

　　功能碼：通訊傳送的第二個(gè)字節(jié)。Modbus通訊規(guī)約定義功能號(hào)為1到127。本儀表只利用其中的一部分功能碼。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。如果從機(jī)發(fā)送的功能碼的最高位為１(比如功能碼大與此同時(shí)127)，則表明從機(jī)沒(méi)有響應(yīng)操作或發(fā)送出錯(cuò)。

　　數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同。數(shù)據(jù)區(qū)可以是實(shí)際數(shù)值、設(shè)置點(diǎn)、主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的地址。

　　CRC碼：二字節(jié)的錯(cuò)誤檢測(cè)碼。

（二）、通訊規(guī)約

　　當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒(méi)有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。如果出錯(cuò)就不發(fā)送任何信息。

　　1．信息幀結(jié)構(gòu)

　　地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū) 錯(cuò)誤校驗(yàn)碼

　　8位 8位 N × 8位 16位
 

     　地址碼：地址碼是信息幀的第一字節(jié)(8位)，從0到255。這個(gè)字節(jié)表明由用戶(hù)設(shè)置地址的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的信息。每個(gè)從機(jī)都必須有唯一的地址碼，并且只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)回送。當(dāng)從機(jī)回送信息時(shí)，相當(dāng)?shù)牡刂反a表明該信息來(lái)自于何處。

     　功能碼：主機(jī)發(fā)送的功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么任務(wù)。表1-1列出的功能碼都有具體的含義及操作。

　　代碼 含義 操作

　　03 讀取數(shù)據(jù) 讀取當(dāng)前寄存器內(nèi)一個(gè)或多個(gè)二進(jìn)制值

　　06 重置單一寄存器 把設(shè)置的二進(jìn)制值寫(xiě)入單一寄存器

    　 數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作或由從機(jī)采集的返送信息。這些信息可以是數(shù)值、參考地址等等。例如，功能碼告訴從機(jī)讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)區(qū)必需包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長(zhǎng)度。對(duì)于不同的從機(jī)，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。

    　 錯(cuò)誤校驗(yàn)碼：主機(jī)或從機(jī)可用校驗(yàn)碼進(jìn)行判別接收信息是否出錯(cuò)。有時(shí)，由于電子噪聲或其它一些干擾，信息在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，錯(cuò)誤校驗(yàn)碼保證了主機(jī)或從機(jī)對(duì)在傳送過(guò)程中出錯(cuò)的信息不起作用。這樣增加了系統(tǒng)的安全和效率。錯(cuò)誤校驗(yàn)采用CRC-16校驗(yàn)方法。

　　注：信息幀的格式都基本相同：地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。

　　2．錯(cuò)誤校驗(yàn)

　　冗余循環(huán)碼（CRC）包含2個(gè)字節(jié)，即16位二進(jìn)制。CRC碼由發(fā)送設(shè)備計(jì)算，放置于發(fā)送信息的尾部。接收信息的設(shè)備再重新計(jì)算接收到信息的 CRC碼，比較計(jì)算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯(cuò)。

　　CRC碼的計(jì)算方法是，先預(yù)置16位寄存器全為1。再逐步把每8位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。在進(jìn)行CRC碼計(jì)算時(shí)只用8位數(shù)據(jù)位，起始位及停止位，如有奇偶校驗(yàn)位的話也包括奇偶校驗(yàn)位，都不參與CRC碼計(jì)算。

     　在計(jì)算CRC碼時(shí)，8位數(shù)據(jù)與寄存器的數(shù)據(jù)相異或，得到的結(jié)果向低位移一字節(jié)，用0填補(bǔ)最高位。再檢查最低位，如果最低位為1，把寄存器的內(nèi)容與預(yù)置數(shù)相異或，如果最低位為0，不進(jìn)行異或運(yùn)算。

    　 這個(gè)過(guò)程一直重復(fù)8次。第8次移位后，下一個(gè)8位再與現(xiàn)在寄存器的內(nèi)容相相異或，這個(gè)過(guò)程與以上一樣重復(fù)8次。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)信息處理完后，最后寄存器的內(nèi)容即為CRC碼值。CRC碼中的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時(shí)低字節(jié)在前。

     　計(jì)算CRC碼的步驟為：

　　·    預(yù)置16位寄存器為十六進(jìn)制FFFF（即全為1）。稱(chēng)此寄存器為CRC寄存器；

　　·    把第一個(gè)8位數(shù)據(jù)與16位CRC寄存器的低位相異或，把結(jié)果放于CRC寄存器；

　　·    把寄存器的內(nèi)容右移一位(朝低位)，用0填補(bǔ)最高位，檢查最低位；

　　·    如果最低位為0：重復(fù)第3步(再次移位); 如果最低位為1：CRC寄存器與多項(xiàng)式A001（1010 0000 0000 0001）進(jìn)行異或；

　　·    重復(fù)步驟3和4，直到右移8次，這樣整個(gè)8位數(shù)據(jù)全部進(jìn)行了處理；

　　·    重復(fù)步驟2到步驟5，進(jìn)行下一個(gè)8位數(shù)據(jù)的處理；

　　·    最后得到的CRC寄存器即為CRC碼。

　　3．功能碼03，讀取點(diǎn)和返回值：

    　 儀表采用Modbus RTU通訊規(guī)約，利用通訊命令，可以進(jìn)行讀取點(diǎn)(“保持寄存器”) 或返回值(“輸入寄存器” )的操作。保持和輸入寄存器都是16位（2字節(jié)）值，并且高位在前。這樣用于儀表的讀取點(diǎn)和返回值都是2字節(jié)。一次最多可讀取寄存器數(shù)是60。由于一些可編程控制器不用功能碼03，所以功能碼03被用作讀取點(diǎn)和返回值。從機(jī)響應(yīng)的命令格式是從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)及CRC碼。數(shù)據(jù)區(qū)中的寄存器數(shù)據(jù)都是每?jī)蓚€(gè)字節(jié)高字節(jié)在前。

　　4．功能碼06，單點(diǎn)保存

  　  主機(jī)利用這條命令把單點(diǎn)數(shù)據(jù)保存到儀表的存儲(chǔ)器。從機(jī)也用這個(gè)功能碼向主機(jī)返送信息