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Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，在1979年末該公司成為施耐德自動化(Schneider Automation)部門的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。
當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時，Modbus協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢問方。
Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。
Modbus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗，但TCP模式?jīng)]有額外規(guī)定校驗，因為TCP協(xié)議是一個面向連接的可靠協(xié)議。另外，Modbus采用主從方式定時收發(fā)數(shù)據(jù)，在實際使用中如果某Slave站點斷開后（如故障或關(guān)機），Master端可以診斷出來，而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。
下面我來簡單的給大家介紹一下，對于Modbus的ASCII、RTU和TCP協(xié)議來說，其中TCP和RTU協(xié)議非常類似，我們只要把RTU協(xié)議的兩個字節(jié)的校驗碼去掉，然后在RTU協(xié)議的開始加上5個0和一個6并通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送出去即可。所以在這里我僅介紹一下Modbus的ASCII和RTU協(xié)議。
下表是ASCII協(xié)議和RTU協(xié)議進行的比較：
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協(xié)議 |
開始標(biāo)記 |
結(jié)束標(biāo)記 |
校驗 |
傳輸效率 |
程序處理 |
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ASCII |
:（冒號） |
CR,LF |
LRC |
低 |
直觀，簡單，易調(diào)試 |
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RTU |
無 |
無 |
CRC |
高 |
不直觀，稍復(fù)雜 |
通過比較可以看到，ASCII協(xié)議和RTU協(xié)議相比擁有開始和結(jié)束標(biāo)記，因此在進行程序處理時能更加方便，而且由于傳輸?shù)亩际强梢姷?/SPAN>ASCII字符，所以進行調(diào)試時就更加的直觀，另外它的LRC校驗也比較容易。但是因為它傳輸?shù)亩际强梢姷?/SPAN>ASCII字符，RTU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RTU傳輸一個十六進制數(shù)0xF9,ASCII就需要傳輸’F’’9’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，最好能使用RTU協(xié)議。
下面對兩種協(xié)議的校驗進行一下介紹。
1、LRC校驗
LRC域是一個包含一個8位二進制值的字節(jié)。LRC值由傳輸設(shè)備來計算并放到消息幀中，接收設(shè)備在接收消息的過程中計算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說明有錯誤。
LRC校驗比較簡單，它在ASCII協(xié)議中使用，檢測了消息域中除開始的冒號及結(jié)束的回車換行號外的內(nèi)容。它僅僅是把每一個需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按字節(jié)疊加后取反加1即可。下面是它的VC代碼：
BYTE GetCheckCode(const char * pSendBuf, int nEnd)//獲得校驗碼
{
BYTE byLrc = 0;
char pBuf[4];
int nData = 0;
for(i=1; i<end; i+=2) //i初始為1，避開“開始標(biāo)記”冒號
{
//每兩個需要發(fā)送的ASCII碼轉(zhuǎn)化為一個十六進制數(shù)
pBuf [0] = pSendBuf [i];
pBuf [1] = pSendBuf [i+1];
pBuf [2] = '\0';
sscanf(pBuf,"%x",& nData);
byLrc += nData;
}
byLrc = ~ byLrc;
byLrc ++;
return byLrc;
}
2、CRC校驗
CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。
CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。
CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內(nèi)容相或（OR），結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。
CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。下面是它的VC代碼：
WORD GetCheckCode(const char * pSendBuf, int nEnd)//獲得校驗碼
{
WORD wCrc = WORD(0xFFFF);
for(int i=0; i<nEnd; i++)
{
wCrc ^= WORD(BYTE(pSendBuf[i]));
for(int j=0; j<8; j++)
{
if(wCrc & 1)
{
wCrc >>= 1;
wCrc ^= 0xA001;
}
else
{
wCrc >>= 1;
}
}
}
return wCrc;
}
對于一條RTU協(xié)議的命令可以簡單的通過以下的步驟轉(zhuǎn)化為ASCII協(xié)議的命令：
1、 把命令的CRC校驗去掉，并且計算出LRC校驗取代。
2、 把生成的命令串的每一個字節(jié)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的兩個字節(jié)的ASCII碼，比如0x03轉(zhuǎn)化成0x30,0x33（0的ASCII碼和3的ASCII碼）。
3、 在命令的開頭加上起始標(biāo)記“:”，它的ASCII碼為0x3A。
4、 在命令的尾部加上結(jié)束標(biāo)記CR,LF（0xD,0xA），此處的CR,LF表示回車和換行的ASCII碼。
所以以下我們僅介紹RTU協(xié)議即可，對應(yīng)的ASCII協(xié)議可以使用以上的步驟來生成。
下表是Modbus支持的功能碼：
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功能碼 |
名稱 |
作用 |
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01 |
讀取線圈狀態(tài) |
取得一組邏輯線圈的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF) |
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02 |
讀取輸入狀態(tài) |
取得一組開關(guān)輸入的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF) |
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03 |
讀取保持寄存器 |
在一個或多個保持寄存器中取得當(dāng)前的二進制值 |
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04 |
讀取輸入寄存器 |
在一個或多個輸入寄存器中取得當(dāng)前的二進制值 |
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05 |
強置單線圈 |
強置一個邏輯線圈的通斷狀態(tài) |
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06 |
預(yù)置單寄存器 |
把具體二進值裝入一個保持寄存器 |
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07 |
讀取異常狀態(tài) |
取得8個內(nèi)部線圈的通斷狀態(tài)，這8個線圈的地址由控制器決定 |
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08 |
回送診斷校驗 |
把診斷校驗報文送從機，以對通信處理進行評鑒 |
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09 |
編程（只用于484） |
使主機模擬編程器作用，修改PC從機邏輯 |
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10 |
控詢（只用于484） |
可使主機與一臺正在執(zhí)行長程序任務(wù)從機通信，探詢該從機是否已完成其操作任務(wù)，僅在含有功能碼9的報文發(fā)送后，本功能碼才發(fā)送 |
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11 |
讀取事件計數(shù) |
可使主機發(fā)出單詢問，并隨即判定操作是否成功，尤其是該命令或其他應(yīng)答產(chǎn)生通信錯誤時 |
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12 |
讀取通信事件記錄 |
可是主機檢索每臺從機的ModBus事務(wù)處理通信事件記錄。如果某項事務(wù)處理完成，記錄會給出有關(guān)錯誤 |
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13 |
編程（184/384 484 584） |
可使主機模擬編程器功能修改PC從機邏輯 |
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14 |
探詢（184/384 484 584） |
可使主機與正在執(zhí)行任務(wù)的從機通信，定期控詢該從機是否已完成其程序操作，僅在含有功能13的報文發(fā)送后，本功能碼才得發(fā)送 |
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15 |
強置多線圈 |
強置一串連續(xù)邏輯線圈的通斷 |
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16 |
預(yù)置多寄存器 |
把具體的二進制值裝入一串連續(xù)的保持寄存器 |
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17 |
報告從機標(biāo)識 |
可使主機判斷編址從機的類型及該從機運行指示燈的狀態(tài) |
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18 |
（884和MICRO 84） |
可使主機模擬編程功能，修改PC狀態(tài)邏輯 |
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19 |
重置通信鏈路 |
發(fā)生非可修改錯誤后，是從機復(fù)位于已知狀態(tài)，可重置順序字節(jié) |
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20 |
讀取通用參數(shù)（584L） |
顯示擴展存儲器文件中的數(shù)據(jù)信息 |
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21 |
寫入通用參數(shù)（584L） |
把通用參數(shù)寫入擴展存儲文件，或修改之 |
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22～64 |
保留作擴展功能備用 |
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65～72 |
保留以備用戶功能所用 |
留作用戶功能的擴展編碼 |
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73～119 |
非法功能 |
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120～127 |
保留 |
留作內(nèi)部作用 |
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128～255 |
保留 |
用于異常應(yīng)答 |
在這些功能碼中較長使用的是1、2、3、4、5、6號功能碼，使用它們即可實現(xiàn)對下位機的數(shù)字量和模擬量的讀寫操作。
1、讀可讀寫數(shù)字量寄存器（線圈狀態(tài)）：
計算機發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]
例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址：在一個485總線上可以掛接多個設(shè)備，此處的設(shè)備地址表示想和哪一個設(shè)備通訊。例子中為想和17號(十進制的17是十六進制的11)通訊。
<2>命令號01：讀取數(shù)字量的命令號固定為01。
<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的開關(guān)量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為19。
<4>寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個開關(guān)量。例子中為37個開關(guān)量。
<5>CRC校驗：是從開頭一直校驗到此之前。在此協(xié)議的最后再作介紹。此處需要注意，CRC校驗在命令中的高低字節(jié)的順序和其他的相反。
設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號01] [返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]
例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和命令號和上面的相同。
<2>返回的字節(jié)個數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1，2...n中的n的值。
<3>數(shù)據(jù)1...n：由于每一個數(shù)據(jù)是一個8位的數(shù)，所以每一個數(shù)據(jù)表示8個開關(guān)量的值，每一位為0表示對應(yīng)的開關(guān)斷開，為1表示閉合。比如例子中，表示20號(索引號為19)開關(guān)閉合，21號斷開，22閉合，23閉合，24斷開，25斷開，26閉合，27閉合...如果詢問的開關(guān)量不是8的整倍數(shù)，那么最后一個字節(jié)的高位部分無意義，置為0。
<4>CRC校驗同上。
2、讀只可讀數(shù)字量寄存器（輸入狀態(tài)）：
和讀取線圈狀態(tài)類似，只是第二個字節(jié)的命令號不再是1而是2。
3、寫數(shù)字量（線圈狀態(tài)）：
計算機發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]
例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和上面的相同。
<2>命令號:寫數(shù)字量的命令號固定為05。
<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的開關(guān)的地址。
<4>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的開關(guān)量的狀態(tài)。例子中為把該開關(guān)閉合。注意，此處只可以是[FF][00]表示閉合[00][00]表示斷開，其他數(shù)值非法。
<5>注意此命令一條只能下置一個開關(guān)量的狀態(tài)。
設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計算機發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng)。
4、讀可讀寫模擬量寄存器（保持寄存器）：
計算機發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]
例：[11][03][00][6B][00][03][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和上面的相同。
<2>命令號:讀模擬量的命令號固定為03。
<3>起始地址高8位、低8位：表示想讀取的模擬量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為107。
<4>寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個模擬量。例子中為3個模擬量。注意，在返回的信息中一個模擬量需要返回兩個字節(jié)。
設(shè)備響應(yīng)：[設(shè)備地址] [命令號03] [返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n][CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]
例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和命令號和上面的相同。
<2>返回的字節(jié)個數(shù)：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，也就是數(shù)據(jù)1，2...n中的n的值。例子中返回了3個模擬量的數(shù)據(jù)，因為一個模擬量需要2個字節(jié)所以共6個字節(jié)。
<3>數(shù)據(jù)1...n：其中[數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]分別是第1個模擬量的高8位和低8位，[數(shù)據(jù)3][數(shù)據(jù)4]是第2個模擬量的高8位和低8位，以此類推。例子中返回的值分別是555，0，100。
<4>CRC校驗同上。
5、讀只可讀模擬量寄存器（輸入寄存器）：
和讀取保存寄存器類似，只是第二個字節(jié)的命令號不再是2而是4。
6、寫單個模擬量寄存器（保持寄存器）：
計算機發(fā)送命令：[設(shè)備地址] [命令號06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]
例：[11][06][00][01][00][03][CRC低][CRC高]
意義如下：
<1>設(shè)備地址和上面的相同。
<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為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擬量寄存器的地址。
<4>下置的數(shù)據(jù)高8位，低8位：表明需要下置的模擬量數(shù)據(jù)。比如例子中就把1號寄存器的值設(shè)為3。
<5>注意此命令一條只能下置一個模擬量的狀態(tài)。
設(shè)備響應(yīng)：如果成功把計算機發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應(yīng)。
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