詳解MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議——上篇

1.基本概念:

MODBUS 是MODICON公司（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）最先倡導(dǎo)的一種軟的通訊規(guī)約，經(jīng)過(guò)大多數(shù)公司  的實(shí)際應(yīng)用，逐漸被認(rèn)可，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的通訊規(guī)約，只要按照這種規(guī)約進(jìn)行 數(shù)據(jù)通訊或傳輸，不同的系統(tǒng)就可以通訊。目前，在RS232/RS485通訊過(guò)程中， 更是廣泛采用這種規(guī)約。

常用的MODBUS 通訊規(guī)約有兩種，一種是MODBUS ASCII，一種是MODBUS RTU。 一般來(lái)說(shuō)，通訊數(shù)據(jù)量少而且主要是文本的通訊則采用MODBUS ASCII規(guī)約，通訊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制數(shù)值時(shí)，多采用MODBUS RTU規(guī)約。

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，為了解決某一個(gè)特殊問(wèn)題，人們喜歡自己修改MODBUS規(guī)約來(lái)滿足自己的需要（事實(shí)上，人們經(jīng)常使用自己定義的規(guī)約來(lái)通訊，這樣能解決問(wèn)題，但不太規(guī)范）。更為普通的用法是，少量修改規(guī)約，但將規(guī)約格式附在軟件說(shuō)明書(shū)一起，或直接放在幫助中，這樣就方便了用戶的通訊。

2.MODBUS協(xié)議簡(jiǎn)述：

ACRXXXE系列儀表使用的是MODBUS-RTU通訊協(xié)議，MODBUS協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。MODBUS協(xié)議在一根通訊線上 使用主從應(yīng)答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。首先，主計(jì)算機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備（從機(jī)），然 后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。

MODBUS協(xié)議只允許在主機(jī)（PC，PLC等）和終端設(shè)備之間通訊，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各終端設(shè)備不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。

3.查詢—回應(yīng)周期：

查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它 們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開(kāi)始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。

回應(yīng)

如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生， 功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。

4.傳輸方式：

傳輸方式是指一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則，下面定義了與MODBUS 協(xié)議– RTU方式相兼容的傳輸方式。

每個(gè)字節(jié)的位：

·  1個(gè)起始位

·  8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送

·  無(wú)奇偶校驗(yàn)位

·  1個(gè)停止位

錯(cuò)誤檢測(cè)(Error checking)：CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）

5.協(xié)議

當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)終端設(shè)備時(shí)， 它通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的“端口”進(jìn)入被尋址到的設(shè)備，該設(shè)備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請(qǐng)求的任務(wù)，然后，它將自己 生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機(jī)地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請(qǐng)求數(shù)據(jù)(Data)和一個(gè)校驗(yàn)碼(Check)。發(fā)生任何錯(cuò)誤都不會(huì)有成功的響應(yīng)，或者返回一個(gè)錯(cuò)誤指示幀。

6.數(shù)據(jù)幀格式

7.地址（Address）域

地址域在幀的開(kāi)始部分，由 一個(gè)字節(jié)（8位二進(jìn)制碼）組成，十進(jìn)制為0～255，在我們的系統(tǒng)中只使用1~247,其它地址保留。這些位標(biāo)明了用戶指定的終端設(shè)備的地址，該設(shè)備將接 收來(lái)自與之相連的主機(jī)數(shù)據(jù)。每個(gè)終端設(shè)備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會(huì)響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)終端發(fā)送回一個(gè)響應(yīng)，響應(yīng)中的從機(jī)地址數(shù)據(jù) 便告訴了主機(jī)哪臺(tái)終端正與之進(jìn)行通信。

8.功能（Function）域

功能域代碼告訴了被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。下表列出了該系列儀表用到的功能碼，以及它們的意義和功能。

9.數(shù)據(jù)(Data)域

數(shù)據(jù)域包含了終端執(zhí)行特定 功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者設(shè)置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個(gè)寄存器，數(shù)據(jù)域則需要 指明從哪個(gè)寄存器開(kāi)始及讀取多少個(gè)數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌的地址和數(shù)據(jù)依照類型和從機(jī)之間的不同內(nèi)容而有所不同。

10.錯(cuò)誤校驗(yàn)(Check)域

該域允許主機(jī)和終端檢查傳 輸過(guò)程中的錯(cuò)誤。有時(shí)，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備時(shí)在線路上可能會(huì)發(fā)生一些改變，出錯(cuò)校驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC主機(jī)或者終端不去響 應(yīng)那些傳輸過(guò)程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率，錯(cuò)誤校驗(yàn)使用了16位循環(huán)冗余的方法（CRC16）。

11.錯(cuò)誤檢測(cè)的方法

錯(cuò)誤校驗(yàn)（CRC）域占用兩個(gè)字節(jié)，包含了一個(gè)16位的二進(jìn)制值。CRC值由傳輸設(shè)備計(jì)算出來(lái)，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)重新計(jì)算CRC值，然后與接收到的CRC域中的值進(jìn)行比較，如果這兩個(gè)值不相等，就發(fā)生了錯(cuò)誤。

CRC運(yùn)算時(shí)，首先將一個(gè) 16位的寄存器預(yù)置為全1，然后連續(xù)把數(shù)據(jù)幀中的每個(gè)字節(jié)中的8位與該寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行運(yùn)算，僅僅每個(gè)字節(jié)的8個(gè)數(shù)據(jù)位參與生成CRC，起始位和終止位 以及可能使用的奇偶位都不影響CRC。在生成CRC時(shí)，每個(gè)字節(jié)的8位與寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行異或，然后將結(jié)果向低位移位，高位則用“0”補(bǔ)充，最低位 （LSB）移出并檢測(cè)，如果是1，該寄存器就與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進(jìn)行一次異或運(yùn)算，如果最低位為0，不作任何處理。

上述處理重復(fù)進(jìn)行，直到執(zhí)行完了8次移位操作，當(dāng)最后一位（第8位）移完以后，下一個(gè)8位字節(jié)與寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行異或運(yùn)算，同樣進(jìn)行上述的另一個(gè)8次移位異或操作，當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的所有字節(jié)都作了處理，生成的最終值就是CRC值。

12.生成一個(gè)CRC的流程為：

1、預(yù)置一個(gè)16位寄存器為0FFFFH（全1），稱之為CRC寄存器。

2 、把數(shù)據(jù)幀中的第一個(gè)字節(jié)的8位與CRC寄存器中的低字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)果存回CRC寄存器。

3、將CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測(cè)。

4 、如果最低位為0：重復(fù)第三步（下一次移位）；如果最低位為1：將CRC寄存器與一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值（0A001H）進(jìn)行異或運(yùn)算。

5、重復(fù)第三步和第四步直到8次移位。這樣處理完了一個(gè)完整的八位。

6 、重復(fù)第2步到第5步來(lái)處理下一個(gè)八位，直到所有的字節(jié)處理結(jié)束。

7、最終CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外還有一種利用預(yù)設(shè)的表格計(jì)算CRC的方法，它的主要特點(diǎn)是計(jì)算速度快，但是表格需要較大的存儲(chǔ)空間，該方法此處不再贅述，請(qǐng)參閱相關(guān)資料。

13.通訊應(yīng)用格式祥解

本節(jié)所舉實(shí)例將盡可能的使用如圖所示的格式，（數(shù)字為16進(jìn)制）。

Addr：從機(jī)地址

Fun：功能碼

Data start reg hi：數(shù)據(jù)起始地址 寄存器高字節(jié)

Data start reg lo：數(shù)據(jù)起始地址 寄存器低字節(jié)

Data #of reg hi：數(shù)據(jù)讀取個(gè)數(shù) 寄存器高字節(jié)

Data #of reg lo：數(shù)據(jù)讀取個(gè)數(shù) 寄存器低字節(jié)

CRC16 Hi: 循環(huán)冗余校驗(yàn) 高字節(jié)

CRC16 Lo: 循環(huán)冗余校驗(yàn) 低字節(jié)

14.讀數(shù)據(jù)（功能碼03）

l    查詢數(shù)據(jù)幀

此功能允許用戶獲得設(shè)備采集與記錄的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。主機(jī)一次請(qǐng)求的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，但不能超出定義的地址范圍。

下面的例子是從01號(hào)從機(jī)讀3個(gè)采集到的基本數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)幀中每個(gè)地址占用2個(gè)字節(jié)）UA、UB、UC，其中UA的地址為0025H, UB的地址為0026H, UC的地址為0027H。

l    響應(yīng)數(shù)據(jù)幀

響應(yīng)包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)。

下面的例子是讀取UA、UB、UC (UA=082CH，UB=082AH，UC=082CH的響應(yīng)。

l  錯(cuò)誤指示碼

如果主機(jī)請(qǐng)求的地址不存在則返回錯(cuò)誤指示碼：FFH。