详解MODBUS标准协议——下篇

Modbus具有以下几个特点:

1、标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。

2、Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

3、Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

1 ModBus功能码

在ModBus系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCII（美国信息 交换码），另一种模式是RTU（远程 终端设备）。

用户选择想要的模式，包括 串口通信参数（ 波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。在其它网络上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。

1.传输模式特性：

ASCII可打印字符便于故障检测，而且对于用高级语言（如Fortran）编程的主计算机及主PC很适宜。RTU则适用于 机器语言编程的计算机和PC主机。

用RTU模式传输的数据是8位二进制字符。如欲转换为ASCII模式，则每个RTU字符首先应分为高位和低位两部分，这两部分各含4位，然后转换成十六进制等量值。用以构成 报文的ASCII字符都是十六进制字符。ASCII模式使用的 字符虽是RTU模式的两倍，但ASCII数据的译码和处理更为容易一些，此外，用RTU模式时报文字符必须以连续数据流的形式传送，用ASCII模式，字符之间可产生长达1s的间隔，以适应速度较慢的机器。

控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。

2.ASCII模式：

当控制器设为在Modbus网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信，一个信息中的每8位字节作为2个ASCII字符传输，如数值63H用ASCII方式时，需发送两个字节，即ASCII“6"（0110110）和ASCII”3“（0110011），ASCII字符占用的位数有7位和8位，国际通用7位为多。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。

代码系统

• 十六进制，ASCII 字符0...9,A...F

• 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成  每个字节的位

• 1个起始位

• 7个 数据位，最小的有效位先发送

• 1个 奇偶校验位，无校验则无  1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）  错误检测域

• LRC(纵向冗长检测)

3.RTU模式：

当控制器设为在Modbus网络上以RTU模式通信，在消息中的每个8Bit字节按照原值传送，不做处理，如63H，RTU将直接发送01100011。这种方式的主要优点是：数据帧传送之间没有间隔，相同波特率下传输数据的密度要比ASCII高，传输速度更快。

代码系统

• 8位二进制， 十六进制数0...9，A...F

• 消息中的每个8 位域都是一或两个十六进制字符组成

• 每个字节的位  1个起始位  8个 数据位，最小的有效位先发送

• 1个 奇偶校验位，无校验则无

• 1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）

1.CRC:

CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。

CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节和当前寄存器中的值进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及 奇偶校验位均无效。

CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相异或（XOR），结果向最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位（第8位）完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相异或（XOR）。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。

CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。

CRC-16错误校验程序如下：报文（此处只涉及 数据位，不指起始位、停止位和任选的 奇偶校验位）被看作是一个连续的二进制，其最高有效位（MSB）首选发送。报文先与X↑16相乘（左移16位），然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示为二进制数11000，0000，0000，0101。整数商位忽略不记，16位余数加入该报文（MSB先发送），成为2个CRC校验字节。余数中的1全部初始化，以免所有的零成为一条报文被接收。经上述处理而含有CRC字节的报文，若无错误，到接收设备后再被同一多项式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，会得到一个零余数（接收设备核验这个CRC字节，并将其与被传送的CRC比较）。全部运算以2为模（无进位）。

习惯于成串发送数据的设备会首选送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情况下，发送首位应是被除数的最高有效位MSB。由于在运算中不用进位，为便于操作起见，计算CRC时设MSB在最右位。生成多项式的位序也必须反过来，以保持一致。多项式的MSB略去不记，因其只对商有影响而不影响余数。

生成CRC-16校验字节的步骤如下：

①装如一个16位 寄存器，所有数位均为1。

②该16位寄存器的高位 字节与开始8位字节进行“异或”运算。运算结果放入这个16位寄存器。

③把这个16寄存器向右移一位。

④若向右（标记位）移出的数位是1，则生成多项式10，1000，000，0000，001和这个寄存器进行“异或”运算；若向右移出的数位是0，则返回③。

⑤重复③和④，直至移出8位。

⑥另外8位与该十六位寄存器进行“异或”运算。

⑦重复③~⑥，直至该 报文所有字节均与16位 寄存器进行“异或”运算，并移位8次。

⑧这个16位寄存器的内容即2字节CRC错误校验，被加到报文的最高有效位。 另外，在某些非ModBus通信协议中也经常使用CRC16作为校验手段，而且产生了一些CRC16的变种，他们是使用CRC16多项式X↑16+X↑15+X↑2+1，单首次装入的16位寄存器为0000；使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，首次装入寄存器值为0000或FFFFH。CRC简单函数如下：

2.LRC：

LRC错误校验用于ASCII模式。这个错误校验是一个8位二进制数，可作为2个ASCII十六进制字节传送。把十六进制字符转换成二进制，加上无循环进位的二进制字符和二进制补码结果生成LRC错误校验（参见图）。这个LRC在接收设备进行核验，并与被传送的LRC进行比较，冒号（：）、回车符号（CR）、换行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六进制字符在运算时忽略不计。

Modbus的协议内容是完全公开的，内容是简单滴，实现起来是非常容易滴，单片机、PLC、DCS统统都能轻易实现。

Profibus则要复杂一些，关键是需要专用芯片进行二次开发，并且需要得到上级组织的认证，开发成本肯定高不少 。

当然从性能上讲，基于串口的modbus rtu/ASCII通讯性能肯定比不过profibus dp，但是就一些仪表级的简单通讯或者控制器级别的小数据量通讯，modbus是足以胜任的。说白了，就是modbus是*丝，profibus是高富帅！

功能码命令详解：

在这些功能码中较长使用的是1、2、3、4、5、6号功能码，使用它们即可实现对下位机的数字量和模拟量的读写操作。

1、01号命令，读可读写数字量寄存器（线圈状态）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址：在一个485总线上可以挂接多个设备，此处的设备地址表示想和哪一个设备通讯。例子中为想和17号(十进制的17是十六进制的11)通讯。

<2>命令号01：读取数字量的命令号固定为01。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的开关量的起始地址(起始地址为0)。比如例子中的起始地址为19。

<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个开关量。例子中为37个开关量。

<5>CRC校验：是从开头一直校验到此之前。设备响应：[设备地址] [命令号01] [返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和命令号和上面的相同。

<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1，2...n中的n的值。

<3>数据1...n：由于每一个数据是一个8位的数，所以每一个数据表示8个开关量的值，每一位为0表示对应的开关断开，为1表示闭合。比如例子中，表示20号(索引号为19)开关闭合，21号断开，22闭合，23闭合，24断开，25断开，26闭合，27闭合...如果询问的开关量不是8的整倍数，那么最后一个字节的高位部分无意义，置为0。

<4>CRC校验同上。

2、05号命令，写数字量（线圈状态）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的数据高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC高][CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写数字量的命令号固定为05。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的开关的地址。

<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的开关量的状态。例子中为把该开关闭合。注意，此处只可以是[FF][00]表示闭合[00][00]表示断开，其他数值非法。

<5>注意此命令一条只能下置一个开关量的状态。

设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。

3、03号命令，读可读写模拟量寄存器（保持寄存器）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

例：[11][03][00][6B][00][03] [CRC高][CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:读模拟量的命令号固定为03。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的模拟量的起始地址(起始地址为0)。比如例子中的起始地址为107。

<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个模拟量。例子中为3个模拟量。注意，在返回的信息中一个模拟量需要返回两个字节。

设备响应：[设备地址] [命令号03] [返回的字节个数][数据1][数据2]...[数据n] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和命令号和上面的相同。

<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1，2...n中的n的值。例子中返回了3个模拟量的数据，因为一个模拟量需要2个字节所以共6个字节。

<3>数据1...n：其中[数据1][数据2]分别是第1个模拟量的高8位和低8位，[数据3][数据4]是第2个模拟量的高8位和低8位，以此类推。例子中返回的值分别是555，0，100。

<4>CRC校验同上。

4、06号命令，写单个模拟量寄存器（保持寄存器）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的数据高8位] [低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

例：[11][06][00][01][00][03] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写模拟量的命令号固定为06。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模拟量寄存器的地址。

<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为3。

<5>注意此命令一条只能下置一个模拟量的状态。

设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。

5、16号命令，写多个模拟量寄存器（保持寄存器）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [数据数量高8位] [数据数量低8位] [下置的数据高8位] [低8位][……][……] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

例：[11][16][00][01][00][01][00][05] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写模拟量的命令号固定为16。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的模拟量寄存器的地址。

<4>需下置的数据数量高8位，低8位：表明了需要下置的数据数量，这里为1。

<5>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为5。

设备响应：如果成功把计算机返回的如下命令，否则不响应。设备响应：[设备地址] [命令号16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [数据数量高8位] [数据数量低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]，如上例返回：[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]