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Modbus 協(xié)議1.Modbus簡介 Modbus協(xié)議即為可編程控制器和控制網(wǎng)絡(luò)之間相互通訊的語言，是一項應(yīng)用層傳輸協(xié)議。它提供的是一種客戶機(jī)/服務(wù)器的通信工具，是一種請求/應(yīng)答類的通信協(xié)議。該協(xié)議位于OSI 模型的第二層。一個主從類型的系統(tǒng)有一個向某個“子”節(jié)點(diǎn)發(fā)出顯式命令并處理響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)(主節(jié)點(diǎn))。典型的子節(jié)點(diǎn)在沒有收到主節(jié)點(diǎn)的請求時并不主動發(fā)送數(shù)據(jù)，也不與其它子節(jié)點(diǎn)通信。在物理層，Modbus串行鏈路系統(tǒng)可以使用不同的物理接口(RS485、RS232)。最常用的是TIA/EIA-485 (RS485) 兩線制接口。作為附加的選項，也可以實(shí)現(xiàn)RS485 四線制接口。當(dāng)只需要短距離的點(diǎn)到點(diǎn)通信時，TIA/EIA-232-E (RS232) 串行接口也可以使用。其參考模型如下圖a：圖a Modbus協(xié)議參考模型主要特點(diǎn)：MODBUS產(chǎn)品開發(fā)成本低，簡單易用，并且現(xiàn)在已有很多工控器、PLC、變頻器、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已經(jīng)成為一種公認(rèn)的通信標(biāo)準(zhǔn)。通過MODBUS總線，可以很方便地將不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控，并且MODBUS總線產(chǎn)品具有通信協(xié)議簡潔，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，應(yīng)用方便，適宜應(yīng)用在信息量不大工業(yè)控制系統(tǒng)中。2.Modbus的協(xié)議描述 （1）Modbus查詢響應(yīng)模式從機(jī)響應(yīng)信息主機(jī)查詢信息 8位格式 數(shù)據(jù)字節(jié)功能代碼設(shè)備地址錯誤校驗(yàn)8 位格式 數(shù)據(jù)字節(jié)錯誤校驗(yàn)功能代碼設(shè)備地址 圖b 查詢響應(yīng)模式如圖b，是一個完整的主從查詢相應(yīng)周期，這里主機(jī)是客戶機(jī)，從機(jī)是服務(wù)器，其通信遵循以下的過程：(1)客戶端準(zhǔn)備請求并向服務(wù)器發(fā)送請求；(2)服務(wù)器分析并處理客戶端的請求，然后向客戶端發(fā)送結(jié)果；(3)如果出現(xiàn)任何差錯，服務(wù)器首先進(jìn)行差錯檢驗(yàn)，將返回一個異常功能碼給客戶端。當(dāng)Modbus從機(jī)對主機(jī)響應(yīng)時，它使用功能碼域來指示正常(無差錯)響應(yīng)或者出現(xiàn)某種差錯(稱為異常響應(yīng))對于一個正常響應(yīng)來說，服務(wù)器僅復(fù)制原始功能碼，如圖c所示。圖c Modbus協(xié)議正常響應(yīng)對于異常響應(yīng)服務(wù)器將原始功能碼的最高有效位設(shè)置邏輯1后返回，異常碼指示差錯類型，如圖d。圖d Modbus協(xié)議異常響應(yīng) （2）Modbus定義的兩種數(shù)據(jù)單元 MODBUS協(xié)議定義了與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）和應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU），后者能夠使得特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的MODBUS協(xié)議映射上引入一些附加域，比如地址碼和校驗(yàn)碼。具體格式如圖e：ADU功能碼地址碼效驗(yàn)碼數(shù)據(jù)信息PDU 圖e PDU和ADU數(shù)據(jù)單元關(guān)系 PDU內(nèi)容即為查詢和響應(yīng)信息中的功能代碼和8位格式的數(shù)據(jù)信息，而ADU是在PDU的基礎(chǔ)上加上控制設(shè)備的地址信息和效驗(yàn)碼。 （3）Modbus的兩種傳輸方式MODBUS設(shè)置兩種傳輸模式(ASCII或l刪)在標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方式等)，在配置每個采集器的時候，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)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)，它們定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃唬约皼Q定怎樣將信息打包成消息域和如何校驗(yàn)。在其它網(wǎng)絡(luò)上(MAP和MODBUSPLtts)，MODBUS消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。此外所有設(shè)備必須必須實(shí)現(xiàn)RTU模式，ASCII 傳輸模式是選項。設(shè)備應(yīng)該由用戶設(shè)成期望的模式，RTU或ASCII，而默認(rèn)設(shè)置必須為RTU模式。（a）ASCII模式Modbus協(xié)議以ASCII模式通信時，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(diǎn)是字符發(fā)送的時間問隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯誤，而且這種模式下發(fā)送的格式中有開始標(biāo)記（“：”為開始標(biāo)志）和結(jié)束標(biāo)志（“CR或LF”）。ASCII模式中字節(jié)的格式如下：編碼系統(tǒng)：16進(jìn)制，ASCII字符O9，AF。消息：消息中每個ASCII字符都是一個十六進(jìn)制字符組成。數(shù)據(jù)位：1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送；有奇偶校驗(yàn)時有 1個停止位，無校驗(yàn)時則有2個停止位。錯誤檢測域：LRC(縱向冗長檢測)。（b）RTU模式Modbus協(xié)議以RTU模式通信時，在消息中的每個8Bjt字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。RTU模式中字節(jié)的格式如下：代碼系統(tǒng)：8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)09，AF消息：消息中的每個8位域都是一個兩個十六進(jìn)制字符組成數(shù)據(jù)位：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送，有奇偶校驗(yàn)時有 1個停止位，無校驗(yàn)時則有2個停止位。錯誤檢測域：CRC(循環(huán)冗長檢測)。通過上述描述來看，得出以下結(jié)論：ASCII協(xié)議和R1U協(xié)議相比前者擁有開始和結(jié)束標(biāo)記，因此在進(jìn)行程序處理時能更加方便，而且由于傳輸?shù)亩际强梢姷腁SCII字符，所以進(jìn)行調(diào)試時就更加的直觀，另外它的LRC校驗(yàn)也比較容易。但是因?yàn)樗鼈鬏數(shù)亩际强梢姷腁SCII字符，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每一個字節(jié)ASCII都要用兩個字節(jié)來傳輸，比如傳輸一個十六進(jìn)制數(shù)0xF9，ASCII就需要傳輸F9的ASCII碼0X39和0X46兩個字節(jié)，這樣它的傳輸?shù)男示捅容^低。所以一般來說，如果所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小可以考慮使用ASCII協(xié)議，如果所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，最好用RTU模式。綜合如下表(1).表（1） ASCII模式和RTU模式比較3.Modbus的消息幀格式 （1）ASCII消息幀格式 由發(fā)送設(shè)備將Modbus 報文構(gòu)造為帶有已知起始和結(jié)束標(biāo)記的幀。這使設(shè)備可以在報文的開始接收新幀，并且知道何時報文結(jié)束。不完整的報文必須能夠被檢測到而錯誤標(biāo)志必須作為結(jié)果被設(shè)置。ASCII模式中，消息以(：)號字符(ASCII碼3AH)開始，以回車-換行（CL，LF）符(ASCII碼ODH和OAH)結(jié)束?？梢詡鬏?shù)淖址麨槭M(jìn)制字符0-9，AF。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備連續(xù)檢測并接收一個冒號(：)時，每臺設(shè)備對地址解碼，查看是否與自己的地址匹配，如果匹配則接受消息。消息中字符之間發(fā)送的時間最大間隔為1秒，若大于1秒，則接收設(shè)備認(rèn)為出現(xiàn)了一個錯誤。其幀格式如圖f。圖f ASCII幀格式Modbus ASCII 幀的最大尺寸為513 個字符，因?yàn)闉榱舜_保ASCII模式和RTU模式在Modbus應(yīng)用級兼容，ASCII數(shù)據(jù)域最大數(shù)據(jù)長度為(2x252) 是RTU 數(shù)據(jù)域(252)的兩倍。（因?yàn)锳SCII模式中需要兩個ASCII碼，所以是兩倍）ASCII報文幀的傳輸如下圖g：圖g ASCII 傳輸模式狀態(tài)圖（2） RTU幀 在RTU模式，報文幀由時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔區(qū)分。在后續(xù)的部分這個個時間區(qū)成為3.5t。整個報文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，在結(jié)束部分也需要至少3.5個字符的停頓時間標(biāo)志傳輸?shù)慕Y(jié)束。如果兩個字符之間的空閑間隔大于1.5 個字符時間，則報文幀被認(rèn)為不完整應(yīng)該被接收節(jié)點(diǎn)丟棄。如下圖h，RTU幀格式如圖i： 圖h RTU報文幀的格式規(guī)范圖i RTU幀格式RTU傳輸模式狀態(tài)圖的描述如下圖j：圖j RTU傳輸模式狀態(tài)圖（3） 差錯檢驗(yàn)方法 標(biāo)準(zhǔn)Modbus串行鏈路的可靠性基于兩種錯誤檢驗(yàn): （a）奇偶校驗(yàn)(偶或奇)，應(yīng)該被每個字符采用，這是個可選項。 （b）幀檢驗(yàn)(LRC或CRC)，必須運(yùn)用于整個報文，每個幀必須要進(jìn)行幀檢驗(yàn)，這是必選項。 在RTU模式，包含一個對全部報文內(nèi)容執(zhí)行的，基于循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC-Cyclical Redundancy Checking) 算法的錯誤檢驗(yàn)域。CRC 域檢驗(yàn)整個報文的內(nèi)容。不管報文有無奇偶校驗(yàn)，均執(zhí)行此檢驗(yàn)。在ASCII模式，包含一個對全部報文內(nèi)容執(zhí)行的，基于縱向冗余校驗(yàn)（LRC-Longitudinal Redundancy Checking) 算法的錯誤檢驗(yàn)域。LRC域檢驗(yàn)不包括起始“冒號”和結(jié)尾CR，LF對的整個報文的內(nèi)容。不管報文有無奇偶校驗(yàn)，也均執(zhí)行此檢驗(yàn)。 （4） 地址碼 Modbus尋址空間有256個不同地址，其尋址空間規(guī)范如下圖k。地址0保留為廣播地址。所有的子節(jié)點(diǎn)必須識別廣播地址。對于串行鏈路來說Modbus主節(jié)點(diǎn)沒有地址，只有子節(jié)點(diǎn)必須有一個地址。該地址必須在Modbus串行總線上唯一。圖k Modbus尋址規(guī)范 （5）功能碼Modbus功能碼有三類，分別為公共功能碼、用戶定義功能嗎和預(yù)留功能碼。其分類如下圖l。圖l 功能碼分類4.Modbus協(xié)議的實(shí)現(xiàn)（以RS-485為例） 標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議的物理層采用的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)，但RS-232的傳送速率不夠快，RS-232一C規(guī)定波特率為20000bps以下；傳送距離受限，距離近，根據(jù)RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)各裝置之間電纜長度不超過15m，即使在比較好的信號通信中電纜長度也不超過35m；抗干擾能力有限，MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)裝置采用主從通訊方式，適宜采用分布式結(jié)構(gòu)，而RS-232只應(yīng)用與點(diǎn)對點(diǎn)的通信。而RS-485標(biāo)準(zhǔn)相比RS-232標(biāo)準(zhǔn)，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳送距離遠(yuǎn)，并支持多點(diǎn)連接等特點(diǎn)，所以采用RS-485作為物理層是比較理想，MODBUS總線系統(tǒng)如圖m所示。 圖m Modbus協(xié)議的總線實(shí)現(xiàn)（1）RS-485簡介 RS-485是一個電氣接口規(guī)范，屬于7層開放系統(tǒng)互連模型物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接受器的電特性，沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。他支持半雙工或全雙工模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ǔ２捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)型或星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，RS485采用平衡傳輸方式、需要在傳輸線上接終接電阻。RS485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，即只能有一個主(Master)設(shè)備，其余為從設(shè)備。無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設(shè)備。RS-485的最大傳輸距離約為3000m，最大傳輸速率為10Mbs。（2） Modbus協(xié)議的通信實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)