1、,第5部分Modbus通信協(xié)議簡介5.1Modbus協(xié)議概述5.2Modbus協(xié)議規(guī)范5.3Modbus協(xié)議在串行鏈路的主站/從站通信原理5.4Modbus協(xié)議在串行鏈路尋址原則5.5Modbus幀結構5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式5.7Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)模型5.8Modbus通信應用實例,5.1Modbus協(xié)議概述,1.Modbus協(xié)議的發(fā)展歷史（1）Modicon公司提出的通信規(guī)約。（2）Modicon公司被施耐德電氣公司收購。（3）施耐德將Modbus協(xié)議的所有權移交給IDA，成立了Modbus-IDA組織。（4）Modbus-RTPS成為實時以太網(wǎng)標準（IEC61784

2、-2）。（5）Modbus協(xié)議已經(jīng)成為國家標準（GB/T19582-2008）。2.Modbus協(xié)議的特點（1）標準、開放用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議。（2）靈活支持多種物理層標準，如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)等。（3）簡單Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。（4）使用廣泛它是一種在工業(yè)領域被廣為應用的真正開放、標準的網(wǎng)絡通訊協(xié)議，已經(jīng)成為一種電子控制器的通用語言，通過此協(xié)議控制器之間可以通訊，已成為一種工業(yè)標準。不同廠商生產(chǎn)的控制設備通過Modbus協(xié)議可以連成通訊網(wǎng)絡，在PLC、變頻器、電器設備及自動化儀表等領域都廣泛應用Modbus協(xié)議。,5.2Modbus協(xié)議

3、規(guī)范,1.Modbus技術規(guī)范的關系Modbus是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。Modbus是一個請求/應答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務。Modbus功能碼是Modbus請求/應答PDU的元素。,5.2Modbus協(xié)議規(guī)范,2.Modbus通信棧Modbus是一種簡單客戶機/服務器應用協(xié)議：客戶機能夠向服務器發(fā)送請求，服務器分析請求，處理請求，向客戶機發(fā)送應答。,5.3Modbus協(xié)議在串行鏈路的主站/從站通信原理,Modbus串行鏈路協(xié)議是一個主/從協(xié)議。在同一時刻，只有一個主節(jié)點連接于總線，一個或多個子節(jié)點（最大編號

4、為247）連接于同一個串行總線。Modbus通信總是由主節(jié)點發(fā)起，子節(jié)點在沒有收到來自主節(jié)點的請求時，從不會發(fā)送數(shù)據(jù)。子節(jié)點之間從不會互相通信，主節(jié)點在同一時刻只會發(fā)起一個Modbus事務處理。主站用兩種模式向從站發(fā)出Modbus請求，分別為單播模式和廣播模式。單播模式工作方式：由主站尋址單個從站，從站接收并處理完請求之后，向主站返回一個報文（一個應答）。在這種模式下，一個Modbus事務處理包含2個報文，一個是主站的請求，另一個是從站的應答。每個從站必須有唯一的地址（1247），這樣才能區(qū)別于其它站而被獨立地尋址。廣播模式工作方式：主站可以向所有的從站發(fā)送請求，對于主站廣播的請求沒有應答的返

5、回，廣播請求必須是寫命令，所有設備必須接收寫功能的廣播，地址0被保留用來識別廣播通信。,單播模式,廣播模式,1.客戶機向服務器發(fā)請求，服務器分析并處理客戶機的請求后返回響應。2.1個主站（客戶機），最多247個從站（服務器）。3.可以采用單播模式和廣播模式（0地址）。4.產(chǎn)生錯誤，服務器返回通信異常碼。,5.3Modbus協(xié)議在串行鏈路的主站/從站通信原理,5.4Modbus協(xié)議在串行鏈路尋址原則,Modbus尋址空間由256個不同地址組成。地址0為廣播地址，所有從站必須識別廣播地址。Modbus主節(jié)點沒有地址，只有子節(jié)點必須有一個地址。該地址必須在Modbus串行總線上唯一的。1.請求-響應

6、周期（1）請求主設備查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段包含了從設備要執(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備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。（2）響應如果從設備產(chǎn)生一個正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應，數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的數(shù)據(jù)（例如寄存器值或狀態(tài)）。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內(nèi)容是否可用。,5.5M

7、odbus幀結構,串行鏈路上的Modbus幀結構見下圖：（1）地址域在Modbus串行鏈路，地址域只含有子節(jié)點地址，合法的子節(jié)點地址為十進制0247。每個子設備被賦予1247范圍中的地址。主節(jié)點通過將子節(jié)點的地址放到報文的地址域對子節(jié)點尋址。當子節(jié)點返回應答時，它將自己的地址放到應答報文的地址域以讓主節(jié)點知道哪個子節(jié)點在回答。（2）功能碼Modbus由公共功能碼和用戶定義的功能碼組成，功能碼指明服務器要執(zhí)行的動作。功能碼后面可跟有表示含有請求和響應參數(shù)的數(shù)據(jù)域。（3）錯誤檢驗域錯誤檢驗域是對報文內(nèi)容執(zhí)行冗余校驗的計算結果。根據(jù)不同的傳輸模式（RTUorASCII）使用兩種不同的計算方法。,1.

8、Modbus事務處理（無差錯）當服務器對客戶機響應時，它使用功能碼域來指示正常（無差錯）響應或者出現(xiàn)某種差錯（稱為異常響應）。對于一個正常響應來說，服務器僅復制原始功能碼。,5.5Modbus幀結構,2.Modbus事務處理（異常響應）對于異常響應，服務器將原始功能碼的最高有效位設置邏輯1后返回，異常碼指示差錯類型。3.ModbusPDU（數(shù)據(jù)單元）長度Modbus最初在串行鏈路上的實現(xiàn)（最大RS485ADU=256字節(jié)），限制了ModbusPDU的長度。因此，對串行鏈路通信來說，ModbusPDU=256-服務器地址（1字節(jié)）-CRC（2字節(jié)）253字節(jié)。因此：RS232/RS485ADU=

9、253字節(jié)+服務器地址（1字節(jié)）+CRC（2字節(jié)）=256字節(jié)。TCP/IPModbusADU=253字節(jié)+MBAP（7字節(jié)）=260字節(jié)。,5.5Modbus幀結構,4.ModbusPDU（數(shù)據(jù)單元）結構（1）Modbus請求PDUmb_req_pdu=function_code，request_data，function_code-1字節(jié)Modbus功能碼，request_data-n字節(jié)。（2）Modbus響應PDUmb_rsp_pdu=function_code，response_data，function_code-1字節(jié)Modbus功能碼，response_data-n字節(jié)。（3）

10、Modbus異常響應PDUmb_excep_rsp_pdu=function_code，exception_code，function_code-1字節(jié)Modbus功能碼+0 x80exception_code1字節(jié)。,5.5Modbus幀結構,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,Modbus幀的兩種串行傳輸模式有RTU模式和ASCII模式。它定義了報文域的位內(nèi)容在線路上串行的傳送。它確定了信息如何打包為報文和解碼Modbus串行鏈路上所有設備的傳輸模式和串行通信接口的參數(shù)必須相同。盡管在特定的領域ASCII模式是要求的，但達到Modbus備之間的互操作性只有每個設備都有相同的模式。

11、所有設備必須必須實現(xiàn)RTU模式，ASCII傳輸模式是選項。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,1.RTU傳輸模式當設備使用RTU模式在Modbus串行鏈路通信，報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符。這種模式的主要優(yōu)點是較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。每個報文必須以連續(xù)的字符流傳送。（1）RTU模式每個字節(jié)（11位）的格式編碼系統(tǒng)：8位二進制；報文中每個8位字節(jié)含有兩個4位十六進制字符（09，AF）。BitsperByte：1個起始位；8數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位；1位作為奇偶校驗；1位停止位。注意：一般使用偶校驗，其它模式（奇校驗，無校驗）也可

12、以使用。默認校驗模式必須為偶校驗。如果無奇偶校驗，將傳送一個附加的停止位以填充字符幀。見下圖：,有奇偶校驗的RTU模式位序列,無奇偶校驗的RTU模式位序列,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,（2）Modbus報文RTU幀結構由發(fā)送設備將Modbus報文構造為帶有已知起始和結束標記的幀。這使設備可以在報文的開始接收新幀，并且知道何時報文結束。不完整的報文必須能夠被檢測到而錯誤標志必須作為結果被設置。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，這個時間區(qū)間被稱作t3.5。消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€域是設備地址?？梢允褂?/p>

13、的傳輸字符是十六進制的0.9，A.F。網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當?shù)谝粋€域（地址域）接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,整個報文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送。如果兩個字符之間的空閑間隔大于1.5個字符時間，則報文幀被認為不完整應該被接收節(jié)點丟棄。見下圖：注意：RTU接收驅動程序的實現(xiàn)，由于t1.5和t3.5的定時，隱含著大量的對中斷的管理。在高通信速率下，這導致CPU負擔加重。因此在通信速率等于或低于19200bps時

14、，這兩個定時必須嚴格遵守。對于波特率大于19200bps的情形，應該使用2個定時的固定值：建議的字符間超時時間（t1.5）為750s，幀間的超時時間（t1.5）為1.750ms。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,（3）Modbus報文RTU傳輸模式狀態(tài)圖注：主節(jié)點和子節(jié)點的不同角度均在相同的圖中表示。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,（4）Modbus報文RTU幀的CRC校驗在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（CRC）算法的錯誤檢驗域。CRC域檢驗整個報文的內(nèi)容。不管報文有無奇偶校驗，均執(zhí)行此檢驗。CRC包含由兩個8位字節(jié)組成的一個16位值。C

15、RC域作為報文的最后的域附加在報文之后。計算后，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)，CRC高字節(jié)為報文發(fā)送的最后一個子節(jié)。附加在報文后面的CRC的值由發(fā)送設備計算。接收設備在接收報文時重新計算CRC的值，并將計算結果于實際接收到的CRC值相比較。如果兩個值不相等，則為錯誤。CRC的計算，開始對一個16位寄存器預裝全，然后將報文中的連續(xù)的8位子節(jié)對其進行后續(xù)的計算。只有字符中的8個數(shù)據(jù)位參與生成CRC的運算，起始位，停止位和校驗位不參與CRC計算。CRC的生成過程中，每個8位字符與寄存器中的值異或。然后結果向最低有效位（LSB）方向移動（Shift）1位，而最高有效位（MSB）位置充零。然后提取并檢查

16、LSB：如果LSB為，1則寄存器中的值與一個固定的預置值異或；如果LSB為0，則不進行異或操作。這個過程將重復直到執(zhí)行完8次移位。完成最后一次（第8次）移位及相關操作后，下一個8位字節(jié)與寄存器的當前值異或，然后又同上面描述過的一樣重復8次。當所有報文中子節(jié)都運算之后得到的寄存器忠的最終值，就是CRC。當CRC附加在報文之后時，首先附加低字節(jié)，然后是高字節(jié)。注：CRC生成的詳細示例請參考相關的資料。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,2.ASCII傳輸模式當Modbus串行鏈路的設備被配置為使用ASCII模式通信時，報文中的每個8位子節(jié)以兩個ASCII字符發(fā)送，當通信鏈路或者設備無法

17、符合RTU模式的定時管理時使用該模式。由于一個子節(jié)需要兩個字符，此模式比RTU效率低。例如：子節(jié)0 x5B會被編碼為兩個字符，0 x35和0 x42（ASCII編碼0 x35=5，0 x42=B）。（1）ASCII模式每個字節(jié)（10位）的格式編碼系統(tǒng)：十六進制，ASCII字符0-9、A-F。報文中每個ASCII字符含有1個十六進制字符。BitsperByte：1起始位；7數(shù)據(jù)位；首先發(fā)送最低有效位；1位作為奇偶校；1停止位。注意：偶校驗是要求的，其它模式（奇校驗，無校驗）也可以使用。為了保證與其它產(chǎn)品的最大兼容性，同時支持無校驗模式是建議的。默認校驗模式必須為偶校驗。使用無校驗要求2個停止位。

18、字符的傳送方式：每個字符或字節(jié)均由此順序發(fā)送（從左到右），最低有效位（LSB）.最高有效位（MSB）。,有奇偶校驗的ASCII模式的位序列,無奇偶校驗的ASCII模式的位序列,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,（2）ModbusASCII報文幀結構由發(fā)送設備將Modbus報文構造為帶有已知起始和結束標記的幀。這使設備可以在報文的開始接收新幀，并且知道何時報文結束。不完整的報文必須能夠被檢測到而錯誤標志必須作為結果被設置。報文幀的地址域含有兩個字符。在ASCII模式，報文用特殊的字符區(qū)分幀起始和幀結束。一個報文必須以一個“冒號”（：）（ASCII十六進制3A）起始，以“回車-換行”（

19、CRLF）對（ASCII十六進制0D和0A）結束。對于所有的域，允許傳送的字符為十六進制09，AF（ASCII編碼）。設備連續(xù)的監(jiān)視總線上的“冒號”字符。當收到這個字符后，每個設備解碼后續(xù)的字符一直到幀結束。下圖顯示了一個典型的報文幀。注:LF字符可以通過特定的Modbus應用命令（參見Modbus應用協(xié)議規(guī)范）改變。每個字符子節(jié)需要用兩個字符編碼。因此，為了確保ASCII模式和RTU模式在Modbus應用級兼容，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。必然的，ModbusASCII幀的最大尺寸為513個字符。報文中字符間的時間間隔可以達到一秒。如果有更大的

20、間隔，則接受設備認為發(fā)生了錯誤。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,（3）Modbus報文的ASCII輸模式狀態(tài)圖注：“主節(jié)點和“子節(jié)點”的不同角度均在相同的圖中表示。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,（4）Modbus報文ASCII幀的LRC校驗在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（LRC）算法的錯誤檢驗域。LRC域檢驗不包括起始“冒號”和結尾CRLF對的整個報文的內(nèi)容。不管報文有無奇偶校驗，均執(zhí)行此檢驗。LRC域為一個子節(jié)，包含一個8位二進制值。LRC值由發(fā)送設備計算，然后將LRC附在報文后面。接收設備在接收報文時重新計算LRC的值，并

21、將計算結果于實際接收到的LRC值相比較。如果兩個值不相等，則為錯誤。LRC的計算，對報文中的所有的連續(xù)8位字節(jié)相加，忽略任何進位，然后求出其二進制補碼。執(zhí)行檢驗針對不包括起始“冒號”和結尾CRLF對的整個ASCII報文域的內(nèi)容。在ASCII模式，LRC的結果被ASCII編碼為兩個字節(jié)并放置于ASCII模式報文幀的結尾，CRLF之前。注：LRC生成的詳細示例請參考相關的資料。,5.6串行鏈路上Modbus幀的兩種傳輸模式,3.Modbus幀的ASCII和RTU傳輸模式的特性,5.7Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)模型,Modbus以一系列具有不同特征表格上的數(shù)據(jù)模型為基礎。四個基本表格見下表：對于基本表格中

22、任何一項，協(xié)議都允許單個地選擇65536個數(shù)據(jù)項，而且設計那些項的讀寫操作可以越過多個連續(xù)數(shù)據(jù)項直到數(shù)據(jù)大小規(guī)格限制，這個數(shù)據(jù)大小規(guī)格限制與事務處理功能碼有關。很顯然，必須將通過Modbus處理的所有數(shù)據(jù)放置在設備應用存儲器中。但是，存儲器的物理地址不應該與數(shù)據(jù)參考混淆。要求僅僅是數(shù)據(jù)參考與物理地址的鏈接。Modbus功能碼中使用的Modbus邏輯參考數(shù)字是以0開始的無符號整數(shù)索引。,5.8Modbus通信應用實例,1.主站發(fā)送命令：設備地址命令號01起始寄存器地址高8位起始寄存器地址低8位讀取的寄存器數(shù)高8位讀取的寄存器數(shù)低8位CRC校驗的低8位CRC校驗的高8位。例：110100130025CRC低CRC高。意義如下：（1）設備地址：在一個485總線上可以掛接多個設備，此處的設備地址表示想和哪一個設備通訊。例