Modbus

学习Modbus通信协议前先对一些基础知识进行了解

1、什么是协议？

  协议就是互相之间的约定，如果不让别人知道那就是暗号。现在就来定义一个新的最简单协议。例如，协议： “A” --“LED灭”、“B” --“报警”、 “C” --“LED亮”，设备接收到“A”控制一个LED灭，设备接收到“B”控制报警，设备接收到“A”控制一个LED亮。那么当收到对应的信息就执行相应的动作，这就是协议。
  协议在通信中又分为硬件层协议和软件层协议：

1. 硬件层协议解决的是1和0的传输的问题，相当于公路，常见的有485总线、232总线等
2. 软件层协议解决在硬件层上有序的发送数据，相当于交通规则，不然就相当于在公路上乱开车，这是不允许的，常见的有TCP/IP、MODBUS等。

2、一帧数据
  一帧数据指的是你们通过约定每次发送的数据，一帧数据包含帧头，帧尾和校验码组成 数帧头包括接收方主机物理地址的定位以及其它息。帧数据区含有一个数据体。每帧数据之间存在间隔，间隔时间根据具体的时间来定，modbus是每帧数据之间3.5个字符。

3、校验码
  校验码一般放在是由前面的数据通过某种算法得出的，用以检验该组数据的正确性。代码作为数据在向计算机或其它设备进行输入时，容易产生输入错误，为了减少这种输入错误，编码专家发明了各种校验检错方法，并依据这些方法设置了校验码。常用的校验有：累加和校验SUM、字节异或校验XOR、纵向冗余校验LRC、循环冗余校验CRC等。
4、大小端
  这是因为在计算机系统中，是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节。一个字节为8位(bit)。在C语言中除了8位的char型之外,还有16位的short型,32位的long型(要看具体的编译器)。另外,对于位数大于8位的处理器,例如16位或者32位的处理器,由于寄存器宽度大于一个字节,那么必然存在着一个如何将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。具体如下：
大端模式：是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中。
小端模式：是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。

Modbus协议简介

  前文说到协议就是互相之间的约定，那么这个约定可以是两个人之间的约定，我叫A设备发0x01，使B设备的LED1亮，我A设备发0x02，使B设备的LED2亮，这样规定的协议只能使A设备和B设备之间进行通信，无法做到与其他设备进行通信，没有统一性，那么有那个协议可以使所有人都是用一个通信协议，不同公司的设备都可以互相通信呢？MODBUS就是这样的一个常见的协议。

Modbus协议特点

  1、支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。
  2、单主/多从
  3、Modbus通信总是由主设备发起,当从设备没有收到来自主设备的请求时,不会主动发送数据。
  4、从设备之间不能相互通信
  5、主设备向从设备发送报文有广播和单播两种方式

Modbus一帧数据的基本结构

基本结构：设备码+地址码+功能码+数据区+CRC码
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
CRC码 = 16位CRC码
结束结构 = ≥4字节的时间

Modbus工作模式

主从模式

1） 主机只能有一个，每个从机必须有一个唯一的地址（0–247）；
2） 0地址为广播地址，即主机向0号地址的设备发数据时，也就是要把该数据包发给所有的从设备；
备注：主从模式没有冲突检测，多主模式有（网络通信、CAN总线）

Modbus的传输方式：RTU方式、ASC方式、TCP/IP方式

RTU方式：发送的时候十六进制的方式发送，效率相比于ASC高一倍。
ASC方式：发送的时候拆分为ASCII码的方式发送，效率低，但好调试。
TCP/IP方式：与RTU类似。
RTU方式发送（也叫十六进制方式）
  例：要发0x03，就发送二进制0 0 0 0 0 0 1 1；
ASC方式发送（ASCII方式）
  例：要发0x03，要先将0x03拆分为十位的‘0’和个位的‘3‘，就是拆成两个字符0和3，0和3有对应的ASCII码为0x30和0x33，依次发出去，即先发送0x30：0011 0000，再发0x33：0011 0011；

Modbus的主机寻址帧格式

1） RTU方式
RTU寻址帧格式

  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：MODBUS约定了127个功能码，就是主机找从机可能有127个事情要做；
  数据码：通过后面附加的数据来说清除，为了实现这个功能码所需要附加的一些信息，在不同的功能码里面这个数据码的解释是不一样的。
  校验码：CRCL、CRCH这两个为前面的CRC检验的CRC码；
例：03 01 00 13 00 25 0D F6
03一字节代表发给03号设备，01一字节代表读取线圈寄存器，00 13两字节代表从线圈寄存器的第13位开始读取，00 25二字节代表从00 13位开始读取25个位，0D F6代表CRC校验码

 注意点：
  程序编写中会有一个问题在RTU方式中没有起始符和结束符，不知道数据长度到底有多长，所以规定发送接收数据寻址帧时，从机以接收数据停止时间达到3.5个字节以上代表寻找帧发送完成，并开始处理。例如：波特率9600bit/s，所以每位数据传输时间t =（1000000us）/9600 =104us
因为1个字节发送需要10位，所以一个字节需要的时间是T=10t=1040us
所以3.5T=3.51040=3645us=4ms，停止时间大于4ms时从机就开始处理数据。
（注意：主机发送时不能停止，并且发送间隔要大于4ms）

2） ASC方式
ASC寻址帧格式

  帧头为字符“：“（不用拆分）；
  功能码与数据和RTU方式发送的东西一样，但要注意发送是要拆分为2个ASCII码的方式发送；
  LRC校验：（地址+功能码+数据1+数据2+……+数据n）之和除以256后取余（这是这个数据就一定小于256），在取反加1，即余数的补码；
  13就是C语言中\r回车，这个10就是C语言中的换行

	备注：因为有实际的起始符和结束符，所以可以很方便的调试，但在实际中不用。

3） TCP/IP方式
  Modbus TCP协议与RTU协议非常类似，主要区别是，在RTU协议上加一个MBAP报文头，同时由于TCP是基于可靠连接的服务，RTU协议中的CRC校验码就不再需要，所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码，用一句比较通俗的话说就是：Modbus TCP协议就是Modbus RTU协议在前面加上五个0以及一个6，然后去掉两个CRC校验码字节就OK.虽然这句话说得不是特别准确，但是也基本上这就是RTU与TCP之间的区别。
Modbus RTU与Modbus TCP指令对比

  对上表的说明：
  由于TCP是基于TCP连接的，不存在所谓的地址码，所以06后面一般都是“00”（当其作为Modbus网关服务器挂接多个RTU设备的时候，数值从01-FF).即“00 03 01 8E 00 04”对应的是RTU中去掉校验码的指令，前面则是五个0以及一个6。其中6表示的是数据长度，即“00 03 01 8E 00 04”有6个字节长度。而当其为操作指令的时候，其指令是“00 00 00 00 00 09 01 10 01 8e 00 01 02 00 00”,其中“00 09”表示后面有9个字节。

Modbus的从设备回应数据包格式

1） 回应的数据包与主机查询的数据包格式是一致的，个别地方做修整；
2） 正常回应时：功能码与主机发送功能码一致；
异常回应时：功能码要在收到的功能码基础上加上128；
（备注：正常回应就是从机控制的传感器检测没问题，异常回应就是检测的传感器有毛病，返回的数据不能用，所以主机检测到返回的功能码（正常的功能码小于128）大于128则代表返回的数据有问题，要做出错误处理）

寄存器与功能码

在对功能码了解前先对Modbus的寄存器进行了解，
这其中有涉及到线圈、离散输入、保持、输入四种寄存器。

• 线圈寄存器：实际上就可以类比为开关量（继电器状态），每一个bit对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。 线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。对应下面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f
• 离散输入寄存器：如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。所以功能码也简单就一个读的 0x02
• 保持寄存器：这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读写的。一般对应参数设置，比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写，所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10
• 输入寄存器：这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写，一般是读取各种实时数据。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值。对应的功能码也就一个 **0x04 **

常用的几个功能码如下:
    0x01: 读线圈寄存器
    0x02: 读离散输入寄存器
	0x03: 读保持寄存器
    0x04: 读输入寄存器
	0x05: 写单个线圈寄存器
    0x06: 写单个保持寄存器
	0x0f:  写多个线圈寄存器
    0x10: 写多个保持寄存器

寄存器地址分配如下：

常用的几个功能码的详细说明

1、01号命令，读可读写数字量寄存器（线圈状态）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

尺子分割线
例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]

意义如下：

<1>设备地址：在一个485总线上可以挂接多个设备，此处的设备地址表示想和哪一个设备通讯。例子中为想和17号(十进制的17是十六进制的11)通讯。

<2>命令号01：读取数字量的命令号固定为01。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的开关量的起始地址(起始地址为0)。比如例子中的起始地址为19。

<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个开关量。例子中为37个开关量。

<5>CRC校验：是从开头一直校验到此之前。

设备响应：[设备地址] [命令号01] [返回的字节个数][数据1][数据2]…[数据n] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

尺子分割线
例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和命令号和上面的相同。

<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1，2…n中的n的值。

<3>数据1…n：由于每一个数据是一个8位的数，所以每一个数据表示8个开关量的值，每一位为0表示对应的开关断开，为1表示闭合。比如例子中，表示20号(索引号为19)开关闭合，21号断开，22闭合，23闭合，24断开，25断开，26闭合，27闭合…如果询问的开关量不是8的整倍数，那么最后一个字节的高位部分无意义，置为0。

<4>CRC校验同上。

2、05号命令，写数字量（线圈状态）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的数据高8位] [低8位] [CRC校验的低8位] [CRC校验的高8位]

尺子分割线
例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC高][CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写数字量的命令号固定为05。

<3>需下置的寄存器地址高8位，低8位：表明了需要下置的开关的地址。

<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的开关量的状态。例子中为把该开关闭合。注意，此处只可以是[FF][00]表示闭合[00][00]表示断开，其他数值非法。

<5>注意此命令一条只能下置一个开关量的状态。

设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。

3、03号命令，读可读写模拟量寄存器（保持寄存器）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

尺子分割线
例：[11][03][00][6B][00][03] [CRC高][CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:读模拟量的命令号固定为03。

<3>起始地址高8位、低8位：表示想读取的模拟量的起始地址(起始地址为0)。比如例子中的起始地址为107。

<4>寄存器数高8位、低8位：表示从起始地址开始读多少个模拟量。例子中为3个模拟量。注意，在返回的信息中一个模拟量需要返回两个字节。

设备响应：[设备地址] [命令号03] [返回的字节个数][数据1][数据2]…[数据n] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

尺子分割线
例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和命令号和上面的相同。

<2>返回的字节个数：表示数据的字节个数，也就是数据1，2…n中的n的值。例子中返回了3个模拟量的数据，因为一个模拟量需要2个字节所以共6个字节。

<3>数据1…n：其中[数据1][数据2]分别是第1个模拟量的高8位和低8位，[数据3][数据4]是第2个模拟量的高8位和低8位，以此类推。例子中返回的值分别是555，0，100。

<4>CRC校验同上。

4、06号命令，写单个模拟量寄存器（保持寄存器）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的数据高8位] [低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

尺子分割线
例：[11][06][00][01][00][03] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写模拟量的命令号固定为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拟量寄存器的地址。

<4>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为3。

<5>注意此命令一条只能下置一个模拟量的状态。

设备响应：如果成功把计算机发送的命令原样返回，否则不响应。

5、16号命令，写多个模拟量寄存器（保持寄存器）：

计算机发送命令：[设备地址] [命令号16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [数据数量高8位] [数据数量低8位] [下置的数据高8位] [低8位][……][……] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

例：[11][16][00][01][00][01][00][05] [CRC高] [CRC低]

意义如下：

<1>设备地址和上面的相同。

<2>命令号:写模拟量的命令号固定为16。

<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拟量寄存器的地址。

<4>需下置的数据数量高8位，低8位：表明了需要下置的数据数量，这里为1。

<5>下置的数据高8位，低8位：表明需要下置的模拟量数据。比如例子中就把1号寄存器的值设为5。

设备响应：如果成功把计算机返回的如下命令，否则不响应。

设备响应：[设备地址] [命令号16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [数据数量高8位] [数据数量低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]，如上例返回：

[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]

对Modbus的基本开发流程

  可以使用RTU、TCP这两种最常用的模式。

主设备段开发流程

从设备段开发流程