Modbus 通信协议

 

 

 

 

摘 要：工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制，如今已进入网络时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。Modbus 就是工业控制器的网络协议中的一种。关键词：Modbus 协议；串行通信；LRC 校验；CRC 校验；RS-232C

 

一、Modbus 协议简介

 

 

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

 

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

 

当在一 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用 Modb us 协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

 

1、在 Modbus 网络上转输

 

 

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。

 

2、在其它类型网络上转输

 

 

在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。

 

 

 

在消息位，Modbus 协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。

 

3、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。

 

二、两种传输方式

 

 

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。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。

 

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 高字节

CRC 低字节

 

 

 

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。

 

1、ASCII 模式

 

 

当控制器设为在 Modbus 网络上以 ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信，在消息中的每个 8Bit 字节都作为两个 ASCII 字符发送。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

 

当控制器设为在 Modbus 网络上以 RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个 8Bit

 

字节包含两个 4Bit 的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比 A SCII 方式传送更多的数据。

 

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)