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一文看懂Modbus协议

单片机点灯小能手

发布于 2021-07-14 07:38:22

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都有哪些内容？

Modbus是什么？
4种数据类型
3种传输模式
3类功能码
数据帧格式
两种请求模式
Modbus扩展版本
官方标准文档

Modbus是什么？

Modbus协议，从字面理解它包括Mod和Bus两部分，首先它是一种bus，即总线协议，和I2C、SPI类似，总线就意味着有主机，有从机，这些设备在同一条总线上。

Modbus支持单主机，多个从机，最多支持247个从机设备。关于Mod，因为这种协议最早被用在PLC控制器中，准确的说是Modicon公司的PLC控制器，这也是Mod-Bus名称的由来。

后来Modicon被施耐德（Schneider）收购，Modbus协议广泛应用在工业控制器、HMI和传感器上，逐渐被其他厂商所接受，成为了一种主流的通讯协议，用于和外围设备进行通讯。

Modbus网络体系

Modbus在7层OSI参考模型中属于第七层应用层，数据链路层有两种：基于标准串口协议和TCP协议，物理层可使用3线232、2线485、4线422，或光纤、网线、无线等多种传输介质。

OSI模型

Modbus协议是一种请求/应答方式的交互过程，主机主动发起通讯请求，从机响应主机的请求，从机在没有收到主机的请求时，不会主动发送数据，从机之间不会进行通讯。

就像是男生追女生一样，男生要主动出击，女生才会给你响应，不能等着女生主动搭讪你。

目前比较权威的Modbus官方标准文档有两个：

modbus_application_protocol_specification_v1.1b3.pdf
基于Modbus协议的工业自动化网络规范 GB-T19582.1-2008.pdf

可以说90%的书籍和网络资料都是翻译自这两篇文档，文末获取标准文档下载方法。

4种数据类型

Modbus协议规定，进行读写操作的数据类型，按照读写属性和类型可分为以下4种：

离散量输入（Discretes Input ）：1位，只读
线圈（Coils）：1位，读写
输入寄存器（Input Registers ）：16位，只读
保持寄存器（Holding Registers）：16位，读写

Modbus数据类型

3种传输模式

1979年，Modicon 首先推出了串行Modbus标准，后来由于网络的普及，需要更高的传输速度，1997年制定了基于TCP网络的Modbus标准。

所以总的可分为两个传输模式：基于串行链路的和基于以太网TCP/IP的。但是我个人还是习惯分为3种传输模式：

基于串口的Modbus-RTU 数据按照标准串口协议进行编码，是使用最广泛的一种Modbus协议，采用CRC-16_Modbus校验算法。
基于串口的Modbus-ASCII 所有数据都是ASCII格式，一个字节的原始数据需要两个字符来表示，效率低，采用LRC校验算法。
基于网口的Modbus-TCP Modbus-TCP基于TCP/IP协议，占用502端口，数据帧主要包括两部分：MBAP（报文头）+PDU（帧结构），数据块与串行链路是一致的。

所以当我们提及Modbus协议时，要确定是哪种模式：RTU、ASCII或TCP，3种模式区别还是很大的。

Modbus传输模式应用

有些设备支持多种Modbus模式，有些设备只支持其中一种，比如最常用的PLC S7-200只支持Modbus RTU协议，不支持Modbus ASCII协议，Modbus总线上所有的设备传输模式必须相同。

实际使用要根据设备使用手册来选择采用哪种模式。

3类功能码

Modbus功能码，是写在主机请求数据帧中的，决定主机进行读还是写操作，是读线圈、离散量还是寄存器，是写单个寄存器还是多个寄存器等等，决定主机请求什么类型的数据。

主要包括3类功能码：公共功能码、用户定义功能码和保留功能码

Modbus功能码

实际最常用的是公共功能码中的4个功能码：03/04/06/10

公共功能码

0x03：读多个保持寄存器
0x04：读输入寄存器
0x06：写单个保持寄存器
0x10：写多个保持寄存器

因为PLC主要控制的是继电器触点，所以在PLC上还会经常对线圈（Coils）进行读写。

这里需要特别注意的一点是：写保持寄存器，需要区分0x06写单个寄存器和0x10写多个寄存器，而读保持寄存器不区分读单个和读多个，当需要读单个保持寄存器时，也是使用0x03指令，指定读取数量为1。

数据帧格式

无论是3种传输模式中的哪一种，Modbus帧格式都是一样的：

Modbus数据帧

主要包括：

地址域：1字节，即从机设备地址，通常1-247为有效地址，0为广播地址
功能码：1字节，表明主机请求数据的类型。
数据：N字节，包含寄存器地址和寄存器数据等。
差错校验：对数据进行冗余校验的结果，CRC或LRC

下面来详细介绍一下每种传输模式的数据帧格式。

Modbus-RTU数据帧

Modbus-RTU数据帧，帧长度最大为256字节，由以下4部分构成：

子节点地址：1字节，范围0-247
功能代码：1字节
数据块：0-252字节
CRC校验值：2字节，低8位在前

ModbusRTU数据帧格式

Modbus-RTU帧间隔，Modbus-RTU要求两个RTU报文帧间隔要大于3.5个字节时间：

ModbusRTU帧间隔且每个报文帧内字节间隔小于1.5个字节时间，否则会认为接收不完整。

ModbusRTU帧内字符间隔

Modbus-RTU采用循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法对报文帧全部数据进行计算，得到的校验值附加在报文帧末尾，低位在前。CRC-16_Modbus计算方法可以参考：CRC-16_Modbus校验算法

实际请求/应答交互示例：

示例1：写单个寄存器。向01地址设备0x0105保持寄存器写入1个数据：0x0190

主机发送： 01 06 01 05 01 90 99 CB
从机回复： 01 06 01 05 01 90 99 CB

01表示从机地址，06功能码表示写单个保持寄存器，0105表示寄存器地址，0190表示写入寄存器的数值，99CB为CRC校验值。可以看出，当写1个寄存器数据时，从机响应的数据帧和主机发送的数据帧完成一致。

示例2：写多个寄存器。向01地址设备0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器，写入3个寄存器数据：0x1102, 0x0304, 0x0566

主机发送：01 10 01 05 00 03 06 11 02 03 04 05 66 4a 12
从机回复：01 10 01 05 00 03 91 f5

同理，01从机地址，10功能码表示写多个保持寄存器，0105表示起始地址，0003表示写3个寄存器，06表示数据量为6个字节，1102/0304/0566分别表示写入3个寄存器的数值，4a12表示CRC校验数值。

可以看出，写多个寄存器时使用10功能码，从机回复数据也比较精简。

示例3：读单个寄存器。读01地址设备0x0105保持寄存器数据。

主机发送：01 03 01 05 00 01 95 f7
从机回复：01 03 02 56 78 87 c6

03表示读多个寄存器，0105表示起始地址，0001表示读1个寄存器

02表示2个字节，56 78表示寄存器的数据。

示例4：读多个寄存器。读01地址设备0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器，共3个寄存器数据。

主机发送：01 03 01 05 00 03 14 36
从机回复：01 03 06 11 22 33 44 55 66 2a 18

03表示读多个寄存器，0105表示起始地址，0003表示读3个寄存器

06表示6个字节，11 22 33 44 55 66表示寄存器的数据。

Modbus-ASCII数据帧

Modbus-ASCII传输模式中，每个字节均以ASCII编码，实际报文中1个字节会以两个ASCII字符发送，因此这种模式比Modbus-RTU模式效率要低。

例如报文数据0x5B = "5" + "B" = 0X35 + 0X42。

数据帧格式如下：

ModbusASCII报文帧

从ASCII报文帧可以看出，ASCII模式增加了帧起始（“：”）和帧结束标志（回车&换行），由于报文数据每个字节在ASCII模式下需要2个字符进行编码，为了保证ASCII模式和RTU模式在应用级兼容，ASCII模式数据块最大长度为252x2，所以可以计算出报文帧最大长度为1+2+2+2x252+2+2=513字符，报文帧内的字符间隔时间可以达1秒钟。

Modbus-ASCII模式校验方法采用的是纵向冗余校验 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking) 算法，校验内容不包括帧起始和帧结束字符。

计算方法也比较简单，对校验内容进行累加和计算，忽略进位，并转换为二进制补码：

例如Modbus-ASCII模式，主机发送请求，向地址为1的从设备的0x405地址，写入数值0x1234，报文如下：

:010604051234AA<CR><LF>

即：

: 01 06 04 05 12 34 AA <CR><LF>

可以看到01表示设备地址，06表示写单个保持寄存器。地址为0x0405，数据为0x1234，LRC校验值为0xAA。实际进行校验的数据不包含帧头和帧尾。

0xAA = LRC(01, 06, 04, 05, 12, 34)。

LRC计算

手动LRC计算方法：

把原始数据两个字符组成一个字节，并进行二进制加法计算：01+06+04+05+12+34=0x56，计算二进制补码：

0x56 = 0101 0110
  取反：1010 1001
  加1： 1010 1010 = 0xAA
或者：0x100-0x56 = 0xAA

Modbus-TCP数据帧

Modbus-TCP基于4种报文类型：

MODBUS 请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文
MODBUS 证实是在客户端接收的响应信息
MODBUS 指示是服务端接收的请求报文
MODBUS 响应是服务器发送的响应信息

Modbus-TCP报文帧：

ModbusTCP报文帧

更多的细节内容，可以在国标《GB-T19582.1-2008 第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》查看。

两种请求模式

Modbus协议中主机可以以两种模式对从机设备发出请求：单播和广播。

单播模式

在单播模式下，从机地址必须唯一，地址范围1-247。主机以特定地址访问指定的某个从机，发出一个请求数据帧，这个数据帧功能可以是读取或写入数据，从机接收到并处理完成后，会回报一个应答数据帧，以表示读取或写入成功。

单播模式

广播模式

在广播模式下，主机向所有的从机发出请求数据帧，所有的从机都会处理这条命令，对于广播请求，所有的从机无需做出应答操作。一般地址0表示广播地址。

广播模式

但也有一些特殊的设备采用0xFE作为广播地址，以一款气体传感器数据手册为例，以0xFE作为广播地址，来进行设备地址修改：

某传感器广播地址

所以要以实际设备的使用手册为准。

Modbus地址规则

地址规则

Modbus扩展版本

Modbus 是使用异步传输的方式，速度较慢，应用上有其限制，尤其当两台 PLC 要互相交换资料，其传输资料量大，异步方式已经无法满足整体系统反应时间的要求。所以就有 Modbus Plus 出现，使用同步传输的技术，资料格式与 Modbus 一样，此协议是Modicon专有的，和Modbus不同，它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线，并且每个节点都有转换隔离设备，是一种采用边沿触发而不是电平触发的设备。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口，通常是支持ISA（SA85），PCI或者PCMCIA总线的板卡。