通信协议Modbus协议原理和通信流程演示

　　1、 Modbus简介
　　Modbus 是由 Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在 1979 年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。
　　ModBus 网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专 用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。
　　为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了 Modbus-IDA 组织，为 Modbus 今后的发展奠定了基础。
　　在中国，Modbus 已经成为国家标准，并有专业的规范文档，感兴趣的可以去查阅相关的文件，详情如下：标准编号为：GB/T19582-2008
　　文件名称：《基于 Modbus 协议的工业自动化网络规范》
　　主要有三部分的内容，分别如下：《GB/T 19582.1-2008 第 1 部分：Modbus 应用协议》
　　《GB/T 19582.2-2008 第 2 部分：Modbus 协议在串行链路上的实现指南》
　　《GB/T 19582.3-2008 第 3 部分: Modbus 协议在 TCP/IP 上的实现指南》
　　2、Modbus协议概述
　　Modbus是一个主-从模式的通信协议，属于数据链路层上的协议，协议本身不涉及具体的硬件要求。
　　常见的应用Modbus协议的物理接口有RS-485、RS232、USART等的通信链路中。
　　Modbus协议中，一个时刻内只允许有一个主机连接于总线，多个从机连接于总线上，通信都是只能由主机发起，从机进行响应 。不能从从机主动发起通信。
　　3、Modbus 主从机通信模式
　　主机和从机之间的通信，可以用两种模式进行：广播通知模式、单播点对点模式 。
　　（1）单播点对点模式
　　主机按照从机的明确地址访问相应的从机，从机接到来自主机的请求并处理完请求后，从机会向主机返回一个应答，完成一个通信。
　　在这种模式，一个 Modbus 事务处理包含 2 个报文：一个来自主机的请求，一个来自从机的应答。
　　注：在总线上，每个从机都必须有唯一的从机地址 (1 到 247)，这样才能区别于其它节点被独立的寻址。
　　（2）广播通知模式
　　主机向所总线通过广播指令发送请求，所有的从机都要接收来自主机的广播信息。
　　对于主机广播的请求，从机是没有应答返回的。 所有的从机必须要接受主机的广播模写功能。
　　注：地址 0 是专门用于主机向各个从机广播数据的，所有的从机都要响应！
　　4、Modbus 的地址规则
　　Modbus 可寻址 256 个不同地址。如下图所示：
　　地址 0 为广播地址。所有的从机必须识别广播地址。
　　Modbus 主机本身是没有地址的，只有从机必须要有一个地址。 该地址必须在 Modbus 串行总线上唯一。
　　注：248~255作为预留使用的地址。
　　5、Modbus 的帧格式
　　Modbus的帧格式按照选择的模式不同帧格式也是有所区别的。
　　（1）RTU模式
　　RTU 模式下的帧格式如下图：
　　注：Modbus RTU 帧总长度最大为 256 字节。
　　RTU 模式每个字节 ( 11 位 ) 的格式为 :
　　8–位二进制，报文中每个 8 位字节含有两个 4 位十六进制字符(0–9， A–F)
　　每字节的 bit 流:1 起始位
　　8 数据位， 首先发送最低有效位
　　1 位作为奇偶校验
　　1 停止位
　　偶校验是要求的， 其它模式 ( 奇校验， 无校验 ) 也可以使用。 为了保证与其它产品的最大兼容性， 同时支持无校验模式是建议的。默认校验模式模式 必须为偶校验。
　　注 : 使用无校验要求 2 个停止位。
　　RTU时，每个字符或字节均由此顺序发送(从左到右)：
　　最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)
　　1）RTU模式下的帧通信
　　由发送设备将 Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可以在报文的开始接收 新帧，并且知道何时报文结束。
　　不完整的报文必须能够被检测到而错误标志必须作为结果被设置。
　　在 RTU 模式，报文帧由时长至少为 3.5 个字符时间的空闲间隔区分。如下图：
　　整个报文帧必须以连续的字符流发送。
　　如果两个字符之间的空闲间隔大于 1.5 个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。
　　注意：RTU 模式下接收数据时，由于 t1.5 和 t3.5 的时间隔要求的存在，一般在高通信速率下，会导致 CPU 负担加重。
　　对于波特率大于 19200 bps 的情形，应该使用 2 个定时的固定值：
　　建议的字符间超时时间(t1.5)为 750µs，
　　帧间的超时时间 (t1.5) 为 1.750ms。
　　下图表示了对 RTU 传输模式状态图的描述。 ＂主节点＂ 和 ＂子节点＂ 的不同角度均在相同的图中表示：
　　从上图可以知道：1）从 ＂初始＂ 态到 ＂空闲＂ 态转换需要 t3.5 定时超时: 这保证帧间延迟
　　2）＂空闲＂ 态是没有发送和接收报文要处理的正常状态。
　　3）在 RTU 模式， 当没有活动的传输的时间间隔达 3.5 个字符长时，通信链路被认为在 ＂空闲＂ 态。
　　4）当链路空闲时， 在链路上检测到的任何传输的字符被识别为帧起始。 链路变为 ＂活动＂ 状态。 然后当链路上没有字符传输的时间间个达到 t3.5 后，被识别为帧结束。
　　5）检测到帧结束后，完成 CRC 计算和检验。然后，分析地址域以确定帧是否发往此设备，如果不是， 则丢弃此帧。 为了减少接收处理时间，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧结束。这 样，CRC 计算只需要在帧寻址到该节点 (包括广播帧) 时进行。
　　2）RTU模式的CRC校验
　　在 RTU 模式包含一个对全部报文内容执行的，基于循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的错误检验域。CRC 域检验整个报文的内容，不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。
　　CRC 包含由两个 8 位字节组成的一个 16 位值。
　　CRC 域作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后，首先附加低字节，然后是高字节。CRC 高字 节为报文发送的最后一个子节。
　　附加在报文后面的 CRC 的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算 CRC 的值，并将计 算结果于实际接收到的 CRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。
　　CRC 的计算, 开始对一个 16 位寄存器预装全 1。 然后将报文中的连续的 8 位子节对其进行后续的计 算。只有字符中的 8 个数据位参与生成 CRC 的运算，起始位，停止位和校验位不参与 CRC 计算。
　　CRC 的生成过程中， 每个 8–位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位(LSB)方向移动 (Shift) 1 位，而最高有效位(MSB)位置充零。 然后提取并检查 LSB：如果 LSB 为 1， 则寄存器中的值与 一个固定的预置值异或；如果 LSB 为 0， 则不进行异或操作。
　　这个过程将重复直到执行完 8 次移位。完成最后一次（第 8 次）移位及相关操作后，下一个 8 位字节 与寄存器的当前值异或，然后又同上面描述过的一样重复 8 次。当所有报文中子节都运算之后得到的寄存 器的最终值，就是 CRC。
　　（2）ASCII传输模式
　　当 Modbus 串行链路的设备被配置为使用 ASCII模式通信时，报文中的每个 8 位字节以两个 ASCII 字符发送。
　　一般在通信链路或者设备无法 符合 RTU 模式的定时管理时使用该模式。
　　ASCII的帧格式如下：
　　比如 : 字节 0X5B 会被编码为两个字符 : 0x35 和 0x42 ( ASCII 编码 0x35 =＂5＂， 0x42 =＂B＂ )。
　　注 : 由于一个子节需要两个字符，此模式比 RTU 效率低。
　　ASCII 模式每个字节 ( 10 位 ) 的格式为 :
　　十六进制，ASCII 字符 0-9， A-F。1 起始位
　　7 数据位， 首先发送最低有效位
　　1 位作为奇偶校验
　　1 停止位
　　偶校验是要求的， 其它模式 ( 奇校验， 无校验 ) 也可以使用。 为了保证与其它产品的最大兼容性， 同时支持无校验模式是建议的。默认校验模式模式 必须为偶校验。
　　注 : 使用无校验要求 2 个停止位。
　　字符是如何串行传送的:
　　每个字符或字节均由此顺序发送(从左到右):
　　最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)
　　1）ASCII的报文帧
　　在 ASCII 模式， 报文用特殊的字符区分帧起始和帧结束。一个报文必须以一个‘冒号’ ( : ) (ASCII 十六进制 3A )起始，以 ‘回车-换行’ (CR LF) 对 (ASCII 十六进制 0D 和 0A) 结束。
　　注 : LF 字符可以通过特定的 Modbus 应用命令 (参见 Modbus 应用协议规范) 改变。
　　对于所有的域，允许传送的字符为十六进制 0–9， A–F (ASCII 编码)。 设备连续的监视总线上的 ‘冒 号’ 字符。当收到这个字符后，每个设备解码后续的字符一直到帧结束。
　　报文中字符间的时间间隔可以达一秒。如果有更大的间隔，则接受设备认为发生了错误。
　　特别注意：每个字符子节需要用两个字符编码。因此，为了确保 ASCII 模式 和 RTU 模式在 Modbus 应 用级兼容，ASCII 数据域最大数据长度为 (2x252) 是 RTU 数据域 (252) 的两倍。
　　必然的， Modbus ASCII 帧的最大尺寸为 513 个字符。
　　ASCII 报文帧的要求在下面的状态图中综合。 ＂主节点＂ 和 ＂子节点＂ 的不同角度均在相同的图中表示：
　　从上图中可以得知：1）＂空闲＂ 态是没有发送和接收报文要处理的正常状态。
　　2）每次接收到 ＂:＂ 字符表示新的报文的开始。如果在一个报文的接收过程中收到该字符，则当前地报文 被认为不完整并被丢弃。而一个新的接收缓冲区被重新分配。
　　3）检测到帧结束后，完成 LRC 计算和检验。然后，分析地址域以确定帧是否发往此设备，如果不是， 则丢弃此帧。 为了减少接收处理时间，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧结束。
　　2）ASCII的LRC校验
　　在 ASCII 模式，包含一个对全部报文内容执行的，基于纵向冗余校验 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking) 算法的错误检验域。LRC 域检验不包括起始＂冒号＂和结尾 CRLF 对的整个报 文的内容。不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。
　　LRC 域为一个子节，包含一个 8 位二进制值。LRC 值由发送设备计算，然后将 LRC 附在报文后面。 接收设备在接收报文时重新计算 LRC 的值，并将计算结果于实际接收到的 LRC 值相比较。如果两个值不 相等，则为错误。
　　LRC 的计算, 对报文中的所有的连续 8 位字节相加，忽略任何进位，然后求出其二进制补码。执行检 验针对不包括起始＂冒号＂和结尾 CRLF 对的整个 ASCII 报文域的内容。在 ASCII 模式，LRC 的结果 被 ASCII 编码为两个字节并放置于 ASCII 模式报文帧的结尾，CRLF 之前。
　　6、Modbus的异常码
　　MODBUS 事务处理的一般处理过程：
　　一旦服务器处理请求，使用合适的 MODBUS 服务器事务建立 MODBUS 响应。
　　根据处理结果，可以建立两种类型响应：1） 一个正确的 MODBUS 响应：响应功能码 = 请求功能码
　　2） 一个 MODBUS 异常响应
　　3）用来为客户机提供处理过程中与被发现的差错相关的信息；
　　4）响应功能码 = 请求功能码 + 0x80；
　　5）提供一个异常码来指示差错原因。
　　7、Modbus的功能码
　　（1）功能码的类别
　　目前Modbus的功能中可以分为三类：公共功能码、用户定义功能码、保留功能码。
　　公共功能码 ： 是已经被定义的功能码。
　　用户定义功能码 ： 有两个可以由用户定义功能码。范围为： 65 至 72 和十进制 100 至 110。
　　保留功能码 ： 特殊情况下使用的，并且对公共使用是无效的功能码。
　　（2）公共功能码
　　Modbus中公共功能码的定义如下：
　　1）线圈操作功能码（bit位的操作）
　　比如我要读取线圈中的内容。从机地址为 11H，线圈寄存器的起始地址为 0013H，结束地址为 0037H。
　　需要查询总共 37 个线圈寄存器，主机发送的RTU帧如下：
　　从机响应的数据帧如下：
　　解析：线圈 0013H 到线圈 001AH 的状态为 CDH，二进制值为 11001101，该字节的最高字节为线圈 001AH ， 最 低 字 节 为 线 圈 0013H 。各线圈状态与数据内容每位相对应。1 代表 ON，0 代表 OFF。 线 圈 001AH 到 线 圈 0013H 的 状态分别为：
　　2）保持寄存器操作功能码
　　1> 写多个保持寄存器
　　写多个保持寄存器使用功能码10H。
　　比如：从机地址为 11H。保持寄存器的其实地址为 0001H，寄存器的结束地址为 0002H。总共访问 2 个寄存器。保持寄存器 0001H 的内容为 000AH，保持寄存器 0002H 的内容为 0102H。
　　主机请求的RTU帧数据如下：
　　从机返回的响应为：
　　2> 读保持寄存器
　　读保持寄存器使用03H功能码。
　　比如：从机地址为 11H。保持寄存器的起始地址为 006BH，结束地址为 006DH。
　　主机发送的RTU请求帧如下：
　　从机的应答如下：
　　作者简介：
　　本人95后技术男，从事嵌入式软件开发，专注于技术成长和技术分享。目标是每天进一步一点点，通过技术改变自己的生活，创造自己的美好未来！如果你也对嵌入式感兴趣，欢迎关注我呀！
　　声明：
　　本文作者：嵌入式之入坑笔记
　　文章版权归作者所有，转载请注明出处！