Modbus RTU简介(上)

Posted 2021-11-23 zacch66

1 前言

1.1 什麽是Modbus

• Modbus是一种用于工业控制的标准通信协议，它定义了装置之间在应用层的消息封装模式、沟通方法、沟通顺序。

• Modbus的优势 :

  1. Modbus协议是开源免费的
  2. Modbus支援多种常见工控接口(RS232, RS485, TCP/IP etc.)，且可以各种物理层装置上传输(双绞线、光纤、无线等)
  3. Modbus格式简单易于开发

• Modbus能够将众多设备连接到DCS, PLC系统上，再利用服务器(云、中央计算机)进行监控与下达指令，以便于集中式控制。

  

1-1 Modbus在工业上的应用

1.2 Modbus的通讯

• Modbus通信协议是一个(master/slave)架构，或者(client/server)架构，在整个通讯网路中能够同时拥有多个slaves但是只允许拥有一个专门发送request的master。
• Modbus是一个一主多从协议(最多可连接247台slave，所以slave地址范围在1~247之间)，只有在master发出request时slave才会做出回应，slaves之间不能沟通。
• 每条master所发出的request，都包含一个slave地址，每台slave都会收到该request，都只有符合该地址的slave才会回应该请求，如图1-1(地址0是广播模式，每台slave都会运行指令但不会回应master)。

1-2 Modbus的应答过程

• ADU(Application Data Unit)是完整的协议传输封包而PDU(Protocol Data Unit)则是资料传输的基础单元，与通信无关，如图1-2所示。

1-3 通用Modbus封包格式

1.3 Modbus的错误通讯

当master传送的request不符合格式、slave不支援此功能等问题时，代表slave不能正确解码request内容，这时slave就会response一个error response，其组成为[slave ID][error code][exception code]

• slave ID=original
• error code=function code + 0x80
• exception code=01, 02, 03, 04, etc(依照发生错误的原因)
• CRC校正码

1-4 error response

1-5 Table of exception codes

2 Modbus重点内容

2.1 Modbus暂存器

2.1.1 暂存器种类

Modbus其中一重要的概念是暂存器，不同地址的暂存器存放着不同数据类型型与读写特性得资料，而这裡所说的暂存器地址不一定是固定的内存地址，也可以是开发者自行定义的连续或不连续的一块储存区域。我们可以把Modbus暂存器分为如图2-1所示的4大主要部分。

2-1 Modbus暂存器种类

2.1.2 暂存器地址分配

• 这裡有关地址的概念容易混淆，我的理解是暂存器PLC地址是给"人"看的，想当然尔从1开始(使用10进位制)，前缀的0、1、4、3只是用来代表功能码而已，真正要注意的是后4码地址。
• 暂存器Modbus协议地址是给"机器"看的，所以使用16进位制处理，从0开始，然后再搭配1byte的功能码处理。

2-2 暂存器地址分配

2.2 RTU封包格式

• Modbus封包最大长度为256bytes

2-3 Modbus的问答

2.2.1 master request format

[从机地址] [功能码] [暂存器地址] [暂存器数量(word数)] [验证码]

ex : [1F] [04] [00 0A] [00 04] [D2 75]

2.2.2 slave response format

[从机地址] [功能码] [几个bytes] [data] [验证码]

ex : [1F] [04] [08] [00 01 FF FF 00 00 00 00] [54 FE]

2.2.2 封包之间的区隔

Modbus封包之间的区隔是使用3.5个字符时间来判断，在该时间区间内，master与slave不做任何动作，利用字符时间的机制只适用于Modbus RTU。

封包之间的时间间格在计算上其实还取决于鲍率，还有格式问题:

• 依据Modbus国家规范，一个字符时间为处理11 bits资料所需时间，一般包含一个起始位、8个数据位、1个校验位、一个停止位，而不是所谓一个byte(8 bits)的时间，这裡不要搞混，这是官方规定

• 所谓封包之间的间隔指的是在serial port上的所有封包，包含request、reaponse，只要有资料流淌，就必须规定他们之间的区分方法

• 所以我们假设当前鲍率为9600，也就是9600 bits per second，而3.5个字符时间就等于3.5*11=38.5位，那麽我们可以求得该Modbus RTU要求封包之间的时间间格为 : (38.5*1000)/9600 = 4.0104167ms

• 由于频繁的计算会对CPU造成负担，所以Modbus官方规定，当鲍率超过19200时，封包时间间格会固定为定值1.75ms

• 另外一种较为简易的设定是不管鲍率为何，统一设定成10ms的时间间格，好处是释放cpu压力、较为简便，对于对时间要求没有那麽即时的系统，坏处是效率较低、不够精准

• 另外Modbus还有一个字元之间的判断，一样是利用字符时间机制，假设一个数据中相邻两个字元的时间差在1.5个字符时间以上，就会判断该笔资料丢失 (1.5*11*1000)/baud rate ms，当鲍率超过19200时，时间间格设定成定值0.75ms

2-4 Modbus RTU封包之间的间格机制

2.3 地址范围

Modbus的ID号为1bytes(0~255)，但是前面有提过，slave最多只能设定成247，这是因为0是广播模式，而剩馀的248~255是Modbus的保留ID，供更高级开发用，所以实际应用上我们能设定的范围在1~247之间。

2.4 功能码

Modbus的功能码主要对应四个大方向—DO, DI, AO, AI，其中的功能码主要也是处理这四大方向(对应连接的slave提供的可能是温度数据、湿度数据、是否上锁等数位类比消息)。功能码占总封包1个byte，不过允许范围在1~127，0在上面有提到分配给广播模式，而128~255之所以不分配主要原因为假如1~127发生错误加上0x80的错误码后会变成让上限变成255，所以若是开放128以后的数会让功能码区段超过1个bytes的范围。

• 另外Modbus也提供使用者65~72, 100~110的自订义功能码区段

2-5Modbus主要功能码

2-6Modbus功能码区段

2.4.1 读取数位输出状态(DO)

• 功能码代号 : 01(0x)
• 功能 : 该功能码为读取coil线圈数位输出状态资讯，若状态为on则输出1，反之若为off则输出0
• 佔用大小 : 若为n个bits，则佔用N=n/8个bits，若不能整除则N+1
• 读写状态 : R/W
• 线圈地址上限 : 1~2000
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

请求部份我们首先填入功能码01，再来需要注意的是起始地址为2个bytes，这裡填的Modbus的地址主要由使用者决定(0x0000~0xffff)分别为HI高位与LO低位，由线圈20~38(Dec)可得需请求19个线圈数据，但是我们实际读取的是Modbus地址19~37(Dec)因此将首地址转换成HEX为0x0013，数量地址也分成高低两位共2个bytes，所以我们可以得到00Hi 13Lo。

请求封包佔8bytes长度。

Response

如果我们要读取线圈20~38的状态，需要先计算总共需要回传38-20+1=19个bits，19/8=2…3，不能整除所以要多分配一个bytes(用来补足的bits都设定成0)，可以得出回传的data佔有3个bytes。假设线圈20~27的状态分别为on-on-off-off-on-on-off-on，要注意我们需要从LSB开始存取状态，因此Binary Status为 1100 1101转换成HEX就是CD，以此类推我们可以得到图2-7的资料封包的排序如下所示。

响应封包的资料长度视请求的暂存器数量而定，最长不超过256bytes，data最长2000/8=250bytes。

2-7 功能码01的封包格式 <\\br>

2.4.2 读取数位输入状态(DI)

• 功能码代号 : 02(1x)
• 功能 : 该功能码为读取coil线圈数位输入状态资讯，若状态为on则输出1，反之若为off则输出0
• 佔用大小 : 若为n个bits，则佔用N=n/8个bits，若不能整除则N+1
• 读写状态 : R
• 线圈地址上限 : 1~2000
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

请求部份我们首先填入功能码02，再来需要注意的是起始地址为2个bytes，这裡填的Modbus的地址主要由使用者决定(0x0000~0xffff)分别为HI高位与LO低位，由线圈19~218(Dec)可得需请求22个线圈数据，但是我们实际读取的是Modbus地址196~217(Dec)因此将首地址转换成HEX为0x00C4，数量地址也分成高低两位共2个bytes，所以我们可以得到00Hi C4Lo。

Response

如果我们要读取线圈197~218的状态，需要先计算总共需要回传218-197+1=22个bits，22/8=2…6，不能整除所以要多分配一个bytes(用来补足的bits都设定成0)，可以得出回传的data佔有3个bytes。假设线圈197~204的状态分别为off-off-on-on-off-on-off-on，要注意我们需要从LSB开始存取状态，因此Binary Status为 1010 1100转换成HEX就是CD，以此类推我们可以得到图2-8的资料封包的排序如下所示。

2-8 功能码02的封包格式

2.5.1 读保持暂存器(AO)

• 功能码代号 : 03(4x)
• 功能 : 该功能码为读写暂存器类比输出状态资讯，其输出以Word为基本单位(1Word=2bytes)
• 佔用大小 : 若为n个Word，则佔用2*n个bytes
• 读写状态 : R/W
• 暂存器地址上限 : 1~125
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

请求部份我们首先填入功能码03，再来需要注意的是起始地址为2个bytes，这裡填的Modbus的地址主要由使用者决定(0x0000~0xffff)分别为HI高位与LO低位，由暂存器地址108~110(Dec)可得需请求3个暂存器数据，但是我们实际读取的是Modbus地址107~109(Dec)因此将首地址转换成HEX为0x006B，数量地址也分成高低两位共2个bytes，所以我们可以得到00Hi 6BLo。

Response

如果我们要读取暂存器108~110的状态，需要先计算总共需要回传110-108+1=3个Word，2*3=6个bytes，可以得出回传的data佔有6个bytes。假设暂存器108的输出为555(Dec)，我们可以经过转换得到0x022B，然后依高低位分别填入02Hi 2BLo，依此类推暂存器109、110输出分别为0以及100，经过转换分别得到00 00与00 64(HEX)。

另外假如回传暂存器状态设定成32bits，那麽暂存器取值就需要佔用到108、109两个暂存器位置共4bytes，下一个暂存器将从110开始。

2-9 功能码03的封包格式

2.5.2 读输入暂存器(AI)

• 功能码代号 : 04(3x)
• 功能 : 该功能码为读取暂存器类比输入状态资讯，其输出以Word为基本单位(1Word=2bytes)
• 佔用大小 : 若为n个Word，则佔用2*n个bytes
• 读写状态 : R
• 暂存器地址上限 : 1~125
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

请求部份我们首先填入功能码04，再来需要注意的是起始地址为2个bytes，这裡填的Modbus的地址主要由使用者决定(0x0000~0xffff)分别为HI高位与LO低位，范例中我们要读取暂存器9的数值，但是我们实际读取的是Modbus地址08因此将首地址转换成HEX为0x0008，数量地址也分成高低两位共2个bytes，所以我们可以得到00Hi 08Lo。

Response

如果我们要读取暂存器9的状态，总计1个Word，共2个bytes，可以得出回传的data佔有2个bytes。假设暂存器9的输出为10(Dec)，我们可以经过转换得到0x000A，然后依高低位分别填入00Hi 0ALo。

另外假如回传暂存器状态设定成32bits，那麽暂存器取值就需要佔用4bytes，那麽取直就需要暂用暂存器9与10的位置。

2-10 功能码04的封包格式