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详解Modbus通信协议---清晰易懂

Z小旋 2023-04-22 原文

本文旨在让您对Modbus有一个很直观的了解，总结关于Modbus相关的知识，非常适合初学的同学，同时如有错误，欢迎修改意见和建议，将在第一时间修改

什么是协议

在了解什么是Modbus之前，我们先来看下什么是协议

协议是一个汉语词汇，读音为xié yì，意思是共同计议，协商；经过谈判、协商而制定的共同承认、共同遵守的文件。

简单地说，在我们的单片机之间互相通信，以及单片机和上位机通信中，规定了不同的内容规范，这个规范是通信的双方都需要遵守的，这样就可以实现两者的通信。

而这个协议规范可以有很多种，来适应不同的设备以及通信要求等，我们常见的就有IIC SPI UART串口通信协议等等。而Modbus也是一个串行通信协议。

什么是RS-485 RS-232

我们在看Modbus的时候，经常会看到485串口，232串口，这些是什么呢？

RS232，RS485是一种电平标准

数据在通信双方之间传输，本质是传输物理的电平 比方说传输5V的电压 -1V的电压信号，这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰，比方说你传输一个5V的电压，到了接收端可能就变成了4.8V，并且通信的双方高低电平的参考电压可能不同。

那么这个时候就需要一个电平标准，来判断多少V的电压是高电平 1，多少V的电压是低电平 0 这就诞生了 RS-485 RS-232

RS232：是电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 制定的异步传输标准接口，同时对应着电平标准和通信协议（时序），其电平标准：+3V～+15V对应0，-3V～-15V对应1。

  • 全双工
  • 逻辑1：-15V–5V
  • 逻辑0：+3V–+15V

RS485：RS485是一种串口接口标准，为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，抗干扰能力比RS232强很多。两线压差为-2~-6V表示0，两线压差为+2~+6V表示1

  • 半双工
  • 逻辑1：+2V~+6V
  • 逻辑0： -2V~ -6V
  • 注意485的电平指的是485-A和485-B两根传输线，两线间的电压差。而不是传输线上的电压

如果还想继续了解可以看博主的这个博文：

USB转串口 TTL RS-232 RS-485 COM口 UART区别

也就是RS-485电平标准确定传输过来的数据是0还是1，在此基础上，这些字节数据根据modbus通信协议来进行数据的交互传输。

硬件层协议：解决0和1的可靠传输，常有RS232、RS485、CAN、IIC、SPI …
软件层协议：解决传输目的,常有Modbus、TCP/IP、CANopen …

Modbus协议说明

Modbus诞生于1979年 莫迪康公司 后来被施耐德电气公司收购。Modbus提供通用语言用于彼此通信的设备和设备。
Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议

最简单的说，Modbus就是一个总线通信协议，像IIC SPI这种，但是他不依赖于硬件总线

Modbus之所以使用广泛，是有他的优点的

  • Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求
  • Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等
  • Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络

举一个简单的例子，我们常用的IIC通信协议，需要在物理上连接iic总线，然后加上拉电阻，规定好物理层的高低电平。

而 Modbus协议是一种应用层报文传输协议，协议本身并没有定义物理层，定义了控制器能够认识和使用的消息结构，不管它们是经过何种网络进行通信的。 所以能够适应多种电气接口，因此使用非常广泛。

Modebus通信过程

注意Modbus是一主多从的通信协议

Modbus通信中只有一个设备可以发送请求。其他从设备接收主机发送的数据来进行响应，从机是任何外围设备，如I/O传感器，阀门，网络驱动器，或其他测量类型的设备。从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。

也就是说,不能Modbus同步进行通信,主机在同一时间内只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输,即主机发送,从机应答,主机不发送,总线上就没有数据通信。

从机不会自己发送消息给主站，只能回复从主机发送的消息请求。


并且，Modbus并没有忙机制判断，比方说主机给从机发送命令， 从机没有收到或者正在处理其他东西，这时候就不能响应主机，因为modbus的总线只是传输数据，没有其他仲裁机制，所以需要通过软件的方式来判断是否正常接收。

举例

现在，我们来探讨Modbus数据传输的方式，可以简单地理解成打电话。并且是单向通信的打电话

主机发送数据，首先需要从机的电话号码(区分每个从机，每个地址必须唯一)，告诉从机打电话要干什么事情，然后是需要发送的内容，最后再问问从机，我说的话你都听清楚了没有呀，没有听错吧？

然后从机这里，得到了主机打过来的电话，从机回复主机需要的内容，主机得到从机数据，这样就是一个主机到从机的通信过程

就好比老师和你打电话，老师拨通了你的电话号，然后老师跟你说，小王呀，我这里需要你给我发东西，发的内容是上周的一周总结，你说好的，然后打开你电脑的文件夹，把你的周报发给老师，这就是一个通信过程。

Modbus存储区

既然从机存储数据，那么肯定要有一个存储区，那就需要文件操作，我们都知道这文件可以分为只读(-r)和读写(-wr)两种类型

并且存储的数据类型可以分为 ：布尔量 和 16位寄存器

  • 布尔量比如IO口的电平高低，灯的开关状态等。
  • 16位寄存器比如 传感器的温度数据，存储的密码等。

Modbus协议规定了4个存储区 分别是0 1 3 4区 其中1区和4区是可读可写，1区和3区是只读。

区号名称读写地址范围
0区输出线圈可读可写布尔量00001-09999
1区输入线圈只读布尔量10001-19999
3区输入寄存器只读寄存器30001-39999
4区保持寄存器可读可写寄存器40001-49999

并且Modbus还给每个区都划分了地址范围 主机向从机获取数据时，只需要告诉从机数据的起始地址，还有获取多少字节的数据，从机就可以发送数据给主机

Modbus数据模型规定了具体的地址范围，每一个从机，都有实际的物理存储，跟modbus的存储区相对应，主机读写从机的存储区，实际上就是对从机设备对应的实际存储空间进行读写。

Modbus协议类型

在上面我们已经说明了Modbus可以在各种介质上传输，那么他的传输模式也分为三种。包括ASCII、RTU(远程终端控制系统)、TCP三种报文类型

串行端口存在多个版本的Modbus协议，而最常见的是下面四种：

  • Modbus-Rtu
  • Modbus-Ascii
  • Modbus-Tcp
  • ModbusPlus

Modbus RTU是一种紧凑的，十六进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种采用Ascii码表示数据，并且每个8Bit 字节都作为两个ASCII字符发送的表示方式。
RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。

Modbus协议使用串口传输时可以选择RTU或ASCII模式，并规定了消息、数据结构、命令和应答方式并需要对数据进行校验。ASCII 模式采用LRC校验，RTU模式采用16 位CRC校验。通过以太网传输时使用TCP，这种模式不使用校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

当然常用的就是RTU模式，ASCII一般很少

举一个简单的例子，如果我们需要发送一个数字10 那么RTU模式下，只需要发送 0x0A 总线上传输数据形式为： 0000 1010

而ASCII码模式则将数据1和0转为’1’和’0’,需要发送0x31(1) 0x30(0)两个字节数据。总线上传输数据形式为： 0011 0001 0011 0000

详细的我们等下再阐述

Modbus-RTU协议

Modbus报文帧结构

一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文： 指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据。

Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容

Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：

从站地址功能码数据CRC/LRC
1 byte1 byteN bytes2 bytes
  • 帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验

  • 从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)

  • 功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.

  • 数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。

  • 校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确

Modbus功能码

Modbus规定了多个功能，那么为了方便的使用这些功能，我们给每个功能都设定一个功能码，也就是指代码。

Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：

功能码功能说明
01H读取输出线圈
02H读取输入线圈
03H读取保持寄存器
04H读取输入寄存器
05H写入单线圈
06H写入单寄存器
0FH写入多线圈
10H写入多寄存器

当然我们用的最多的就是03和06 一个是读取数据，一个是修改数据。

CRC校验

错误校验（CRC）域占用两个字节包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。
比如主机发出01 06 00 01 00 17 98 04， 98 04 两个字节是校验位，那么从机接收到后要根据01 06 00 01 00 17 再计算CRC校验值，从机判断自己计算出来的CRC校验是否与接收的CRC校验（98 04主机计算的）相等，如果不相等那么说明数据传输有错误，这些数据就不能要。

CRC校验流程：

1、预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。

2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。

3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。

4 、如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。

5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。

6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。

7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外还有一种利用预设的表格计算CRC的方法，它的主要特点是计算速度快，但是表格需要较大的存储空间，该方法此处不在阐述

下面我们来看详细的发送和接收数据：

1、主机对从机读数据操作

主机发送报文格式如下：

从站地址功能码起始（高）起始（低）数量（高）数量（低）校验
0x010x030x000x010x000x010xD5 0xCA

含义：

0x01：从机的地址
0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据
0x00 0x01： 代表读取的起始寄存器地址.说明从0x0001开始读取.
0x00 0x01： 查询的寄存器数量为0x0001个 Modbus把数据存放在寄存器中,通过查询寄存器来得到不同变量的值,一个寄存器地址对应2字节数据; 寄存器地址对应着从机实际的存储地址
0xD5 0xCA： 循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：
| 从站地址 | 功能码 | 字节计数 | 字节1 |字节2 | 校验 |
|–|–|-|-|-|-|-|
| 0x01 | 0x03| 0x02| 0x01 | 0x00| 0x17| 0xF8 0x4A |

含义：

0x01：从机的地址
0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据
0x02： 返回字节数为2个 一个寄存器2个字节
0x00 0x17：寄存器的值是0017
0xF8 0x4A： 循环冗余校验 CRC

2、主机对从机写数据操作

主机发送报文格式如下：

从站地址功能码数据地址（高）数据地址（低）数据（高）数据（低）校验
0x010x060x000x010x000x170x98 0x04

含义：

0x01：从机的地址
0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据
0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明修改0x0000-0x0001的存储内容
0x00 0x17： 要修改的数据值为0017
0x98 0x04： 循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：

从站地址功能码数据地址（高）数据地址（低）数据（高）数据（低）校验
0x010x060x000x010x000x170x98 0x04

含义：

0x01：从机的地址
0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据
0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000
0x00 0x17：修改的值为0017
0x98 0x04： 循环冗余校验 CRC

从机的回复和主机的发送是一样的，如果不一样说明出现了错误

Modbus-ACSII协议

在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送

十六进制的0-F 分别对应ASCII字符的0…9，A…F

也就是0x30~0x3A 0x41~0x46

下方是ascii的报文帧

  • 1个字节起始位

  • 2个字节地址位

  • 2个字节功能位

  • n个数据位，最小的有效位先发送

  • LRC(纵向冗长检测) 注意校验方式不同

  • 结束符 \r \n

可以看到数据部分更加繁琐，正常我们使用都是用RTU格式，ASCII码格式有了解即可。


总结：
ModbusASCII有开始字符(和结束字符(CR LF)，可以作为一帧数据开始和结束的标志，而ModbusRTU没有这样的标志，需要用时间间隔来判断一帧报文的开始和结束，协议规定的时间为3.5个字符周期，就是说一帧报文开始前，必须有大于3.5个字符周期的空闲时间，一帧报文结束后，也必须要有3.5个字符周期的空闲时间否则就会出现粘包的情况。

注意：针对3.5个字符周期，其实是一个具体时间，但是这个时间跟波特率相关。
在串口通信中，1个字符包括1位起始位、8位数据位（一般情况）、1位校验位（或者没有）、1位停止位（一般情况下），因此1个字符包括11个位，那么3.5个字符就是38.5个位，波特率表示的含义是每秒传输的二进制位的个位，因此如果是9600波特率，3.5个字符周期=/960038.5=0.00401s1000=4.01ms

Modbus-TCP协议

我们首先看下Modbus-TCP和Modbus-ACSII的区别

Modbus-TCP并不需要从从机地址，而是需要MBAP报文头

并且不需要差错校验，因为TCP本身就具有校验差错的能力

MBAP报文头格式如下：

其中事务处理表示符合协议标识符我们正常使用设置为0即可 长度为6个字节 0x0006

简单来说，也就是Modbus-TCP是在Modbus-ACSII的基础上，去掉校验，然后加上五个字节的0和一个06

最后附上 Modbus标准协议手册链接
Modbus标准协议手册


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