ModBus通信协议的【传输方式】

1、Modbus 传输方式

标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。

　    控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。

　   主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。

　　 从机的地址是作为每个从机的唯一标识。地址取值是0-247，0号地址表示广播地址，广播地址由主机保留，当主机向0号地址发数据包的时候，每一个从机设备都会收到数据包。也就是说，当主机发出的寻址帧的地址是0的时候，所有从机都要执行主机要求的动作。按理说，从机收到主机的寻址帧之后，是要做出应答包的，但是现在是0号地址，也就是要回的话每台从机都要回，那么肯定会造成RS-485通讯线上的数据混乱，因此所有从机在主机发0号地址时候不予返回数据包应答。

　   从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

查询--回应周期

（1）查询

　   查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

（2）回应

　    如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

 

传输方式 ASCⅡ &  RTU模式 

　    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，选择时应视所用ModBus主机而定。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（象MAP和Modbus Plus）Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。

　　

　　ASCII模式

:

地址

功能代码

数据数量

数据1

...

数据n

LRC高字节

LRC低字节

回车

换行

　　RTU模式

地址

功能代码

数据数量

数据1

...

数据n

CRC低字节

CRC高字节

（1）ASCII模式（美国信息交换码）

　　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

　　一个信息中的每8个比特作为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)

（2）RTU模式（远程终端设备）

　　适用于机器语言编程的计算机和PC主机

　　RTU实际上也称二进制方式，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位域都是一个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）

　　错误检测域

　　　　CRC(循环冗长检测)

2、Modbus消息帧

   （1）ASCII帧

　  使用ASCII模式，消息以冒号（:）字符（ASCII码 3AH）开始，以回车换行符结束（ASCII码 0DH,0AH）。

　  其它域可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。网络上的设备不断侦测 “ : ” 字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域（地址域）来判断是否发给自己的。

　  消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1秒，否则接收的设备将认为传输错误。一个典型消息帧如下所示：

起始位	设备地址	功能代码	数据	LRC校验	结束符
1个字符	2个字符	2个字符	n个字符	2个字符	2个字符

（2）RTU帧

　   使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的(如下图的T1-T2-T3-T4所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。

　   整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示：

起始位	设备地址	功能代码	数据	CRC校验	结束符
T1-T2-T3-T4	8Bit	8Bit	n个8Bit	16Bit	T1-T2-T3-T4

3、地址域

　   消息帧的地址域包含两个字符（ASCII）或8Bit（RTU）。可能的从设备地址是0...247 (十进制)。单个设备的地址范围是1...247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。

　   地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于更高水准的网络，广播可能不允许或以其它方式代替。

4、功能域

　   消息帧中的功能代码域包含了两个字符（ASCII）或8Bits（RTU）。可能的代码范围是十进制的1...255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。

　   当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。

　   当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生（称作异议回应）。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位置为逻辑1。

　   例如：一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码：0 0 0 0 0 0 1 1 （十六进制03H）

　   对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应，它返回：1 0 0 0 0 0 1 1 （十六进制83H）

　   除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。

　   主设备应用程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。

5、数据域

　    数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围00...FF。根据网络传输模式，这可以是由一对ASCII字符组成或由一RTU字符组成。

　    从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备必须用于进行执行由功能代码所定义的所为。这包括了象不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际数据字节数。

　    例如，如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器（功能代码03），数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备的寄存器（功能代码10十六进制），数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的寄存器数量，数据域的数据字节数，要写入寄存器的数据。

　    如果没有错误发生，从从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。

　    在某种消息中数据域可以是不存在的（0长度）。例如，主设备要求从设备回应通信事件记录（功能代码0B十六进制），从设备不需任何附加的信息。

6、错误检测域

　   标准的Modbus网络有两种错误检测方法。错误检测域的内容视所选的检测方法而定。

（1）ASCII

　   当选用ASCII模式作字符帧，错误检测域包含两个ASCII字符。这是使用LRC（纵向冗长检测）方法对消息内容计算得出的，不包括开始的冒号符及回车换行符。LRC字符附加在回车换行符前面。

（2）RTU

　   当选用RTU模式作字符帧，错误检测域包含一16Bits值(用两个8位的字符来实现)。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节。故CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节。

（3）错误检测方法

　   标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。

　   用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作为正常反应。如果从设备测到一传输错误，消息将不会接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。

   ①奇偶校验

　   用户可以配置控制器是奇或偶校验，或无校验。这将决定了每个字符中的奇偶校验位是如何设置的。

　   如果指定了奇或偶校验，“1”的位数将算到每个字符的位数中（ASCII模式7个数据位，RTU中8个数据位）。例如RTU字符帧中包含以下8个数据位：1 1 0 0 0 1 0 1

　   整个“1”的数目是4个。如果便用了偶校验，帧的奇偶校验位将是0，便得整个“1”的个数仍是4个。如果便用了奇校验，帧的奇偶校验位将是1，便得整个“1”的个数是5个。

　   如果没有指定奇偶校验位，传输时就没有校验位，也不进行校验检测。代替一附加的停止位填充至要传输的字符帧中。

   ②LRC检测

　  使用ASCII模式，消息包括了一基于LRC方法的错误检测域。LRC域检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。

　   LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有错误。

　   LRC方法是将消息中的8Bit的字节连续累加，丢弃了进位。

　   LRC简单函数如下：

static unsigned char LRC(auchMsg,usDataLen)

unsigned char *auchMsg ; /* 要进行计算的消息 */

unsigned short usDataLen ; /* LRC 要处理的字节的数量*/

{ unsigned char uchLRC =  ; /* LRC 字节初始化 */

while (usDataLen--) /* 传送消息 */

uchLRC += *auchMsg++ ; /* 累加*/

return ((unsigned char)(-((char_uchLRC))) ;

}

LRC简单函数

③  CRC检测

　    使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测了整个消息的内容。

　    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位字节各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或（OR），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或。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。

7、字符的连续传输

　    当消息在标准的Modbus系列网络传输时，每个字符或字节以如下方式发送（从左到右）：

　    最低有效位...最高有效位

　    使用ASCII字符帧时，位的序列是：

　    有奇偶校验

启始位

1

2

3

4

5

6

7

奇偶位

停止位

　    无奇偶校验

启始位

1

2

3

4

5

6

7

停止位

停止位

图4. 位顺序（ASCII）

　    使用RTU字符帧时，位的序列是：

　    有奇偶校验

启始位

1

2

3

4

5

6

7

8

奇偶位

停止位

　    无奇偶校验

启始位

1

2

3

4

5

6

7

8

停止位

停止位

图4. 位顺序（RTU）

8、通讯传送方式

以ModBus RTU协议为例简要介绍：

 

　　 通讯传送分为独立的信息头，和发送的编码数据。以下的通讯传送方式定义也与MODBUS RTU通讯规约相兼容：

系统代码每个字节的比特位：

编 码	8位二进制
起始位	1位
数据位	8位
奇偶校验位	1位（偶校验位）
停止位	1位
错误校检	CRC（冗余循环码）

消息帧：

初始结构	≥4字节的时间
地址码	1 字节
功能码	1 字节
数据区	N 字节
错误校检	16位CRC码
结束结构	≥4字节的时间

起始位	设备地址	功能代码	数据	CRC校验	结束符
T1-T2-T3-T4	8Bit	8Bit	n个8Bit	16Bit	T1-T2-T3-T4

　　地址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。

　　功能码：通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为１(比如功能码大与此同时127)，则表明从机没有响应操作或发送出错。

　　数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。

　　 CRC码：二字节的错误检测码。

9、通讯规约 

　　 当通讯命令发送至仪器时，符合相应地址码的设备接通讯命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务；然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。如果出错就不发送任何信息。

 （1） 信息帧结构

地址码	功能码	数据区	错误校验码
8位	8位	N × 8位	16位

　　地址码：地址码是信息帧的第一字节(8位)，从0到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送。当从机回送信息时，相当的地址码表明该信息来自于何处。

　　 功能码：主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。表1-1列出的功能码都有具体的含义及操作。

代码	含义	操作
03	读取数据	读取当前寄存器内一个或多个二进制值
06	重置单一寄存器	把设置的二进制值写入单一寄存器

　　数据区：数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。

　　错误校验码：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时，由于电子噪声或其它一些干扰，信息在传输过程中会发生细微的变化，错误校验码保证了主机或从机对在传送过程中出错的信息不起作用。这样增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。

注：信息帧的格式都基本相同：地址码、功能码、数据区和错误校验码。

（2）错误校验

　　 冗余循环码（CRC）包含2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的 CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。

　　CRC码的计算方法是，先预置16位寄存器全为1。再逐步把每8位数据信息进行处理。在进行CRC码计算时只用8位数据位，起始位及停止位，如有奇偶校验位的话也包括奇偶校验位，都不参与CRC码计算。

　　 在计算CRC码时，8位数据与寄存器的数据相异或，得到的结果向低位移一字节，用0填补最高位。再检查最低位，如果最低位为1，把寄存器的内容与预置数相异或，如果最低位为0，不进行异或运算。

　　 这个过程一直重复8次。第8次移位后，下一个8位再与现在寄存器的内容相相异或，这个过程与以上一样重复8次。当所有的数据信息处理完后，最后寄存器的内容即为CRC码值。CRC码中的数据发送、接收时低字节在前。

　　 计算CRC码的步骤为：

• 预置16位寄存器为十六进制FFFF（即全为1）。称此寄存器为CRC寄存器；
• 把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CRC寄存器；
• 把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，检查最低位；
• 如果最低位为0：重复第3步(再次移位); 如果最低位为1：CRC寄存器与多项式A001（1010 0000 0000 0001）进行异或；
• 重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；
• 重复步骤2到步骤5，进行下一个8位数据的处理；
• 最后得到的CRC寄存器即为CRC码。

　功能码03，读取点和返回值：

　　仪表采用Modbus RTU通讯规约，利用通讯命令，可以进行读取点(“保持寄存器”) 或返回值(“输入寄存器” )的操作。保持和输入寄存器都是16位（2字节）值，并且高位在前。这样用于仪表的读取点和返回值都是2字节。一次最多可读取寄存器数是60。由于一些可编程控制器不用功能码03，所以功能码03被用作读取点和返回值。从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区中的寄存器数据都是每两个字节高字节在前。

　功能码06，单点保存

　　主机利用这条命令把单点数据保存到仪表的存储器。从机也用这个功能码向主机返送信息。