Modbus協(xié)議概述

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中控制。

此協(xié)議定義了一個控制器能認識并使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的，它描述了控制器請求訪問其他設備的過程，如何回應來自其他設備的請求以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息的域和內(nèi)容的公共格式如圖1所示。

在Modbus網(wǎng)絡通信時，協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們的設備地址，識別按照地址發(fā)來的消息，并決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要響應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其他網(wǎng)絡上通信時，包含了Modbus協(xié)議的消息要轉(zhuǎn)換為此網(wǎng)絡上使用的幀或包結(jié)構(gòu)進行傳輸。

Modbus協(xié)議工作傳輸機制

標準的Modbus接口是使用RS－232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗，控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。

控制器之間通信使用主－從技術(shù)，僅有主設備能初始化傳輸操作，其他設備（從設備）根據(jù)主設備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應反應。典型的主設備：主機和可編程儀表，典型的從設備：可編程控制器。

主－從技術(shù)原理框圖，如圖2所示。

查詢：查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設備要執(zhí)行功能的全部附加信息，例如，功能代碼03是要求從設備讀取保持寄存器并返回它們的內(nèi)容，數(shù)據(jù)段必須包含如下信息：從哪個寄存器開始讀以及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

回應：如果從設備產(chǎn)生一個正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應。數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的數(shù)據(jù)，如寄存器值或狀態(tài)等。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將修改為用于指出回應消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內(nèi)容是否可用。

下面介紹Modbus在不同的網(wǎng)絡環(huán)境中主－從技術(shù)的應用情況：

1、在單一Modbus網(wǎng)絡上傳輸 主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通訊。如果單獨通信，從設備返回一條消息作為回應；如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協(xié)議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域。

從設備回應消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤，或從設備不能執(zhí)行其命令，從設備將建立錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。

2、在其他網(wǎng)絡上傳輸 在其他網(wǎng)絡上，控制器之間使用對等技術(shù)通信，故任何控制器都能初始和其他控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設備也可作為從設備。傳輸網(wǎng)絡提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的多個傳輸進程執(zhí)行。

在消息位，Modbus協(xié)議仍提供了主－從原則，盡管網(wǎng)絡通信方法是“對等”，如果一個控制器發(fā)送一條消息，它只是作為主設備，并期望從從設備得到回應。同樣，當控制器接收到一條消息，它將建立一個從設備回應格式并返回給發(fā)送該消息的控制器。

Modbus兩種工作傳輸模式

在標準的Modbus網(wǎng)絡中，控制器可以設置為RTU和ASCII兩種通訊模式中的任何一種，在配置控制器的時候用戶一旦選定某種模式（包括對應的串口通信參數(shù)），那么在同一Modbus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。

兩種不同的傳輸模式對應的傳輸數(shù)據(jù)單元有不同的格式：

選定了的傳輸模式僅適用于標準的Modbus傳輸網(wǎng)絡，它定義了在網(wǎng)絡上傳輸?shù)南⒌拿恳蛔止?jié)消息段的意義，以及怎樣將消息進行打包和解析。

在其他網(wǎng)絡上，例如MAP或Modbus Plus，Modbus消息首先被轉(zhuǎn)換成與串行無關的消息幀，再進行傳輸。

1、RTU傳輸模式 RTU通信模式，在Modbus網(wǎng)絡上傳輸?shù)南⒅忻總€8bit字節(jié)包含兩個4bit的十六進制數(shù)。這種傳輸方式的優(yōu)點是：同樣的波特率下，比ASCII模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多。

代碼編碼：

（1）8bit二進制數(shù)分為兩個4bit十六進制數(shù)0~9，A~F。

（2）消息中每個8bit域都是由2個十六進制字符組成。

在RTU傳輸模式下，消息至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始發(fā)送。在網(wǎng)絡波特率多樣的字符時間下，這是很容易實現(xiàn)的，如下面示例中的T1－T2－T3－T4所示。傳輸?shù)牡谝粋€域是設備地址，可使用的傳輸字符是十六進制的0~9，A~F。網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包括停頓間隔時間在內(nèi)。當接收到第一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結(jié)束。新的消息發(fā)送可在此停頓后開始執(zhí)行。

RTU模式下，整個消息的傳輸必須作為一個連續(xù)的流進行。如果在傳輸完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前一個消息開始，接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。這都將導致錯誤的產(chǎn)生，因為在最后CRC域的值不可能是正確的。

典型的RTU消息幀見表1

2、ASCII傳輸模式 ASCII通信模式，在Modbus網(wǎng)絡上傳輸?shù)南⒅忻總€8bit字節(jié)作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種傳輸方式的優(yōu)點是字符發(fā)送的間隔可以達到1s而不產(chǎn)生錯誤。

代碼編碼：

（1）8bit二進制數(shù)表示為兩個ASCII字符，0~9，A~F。

（2）消息中每個ASCII字符都是一個十六進制字符組成。

在ASCII傳輸模式下，消息以冒號（：）字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符結(jié)束（ASCII碼0DH，0AH）。

其他域可使用的傳輸字符是十六進制的0~9，A~F。網(wǎng)絡上的設備不斷偵測“：”字符，當有一個冒號接收到時，每個設備都解碼下個域（地址域）來判斷是否發(fā)給自己的。

消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1s，否則接收的設備將認為傳輸錯誤。

一個典型ASCII消息幀見表2所示

Modbus消息內(nèi)各域解析

上述段落中，主要講述了Modbus的不同傳輸模式以及對應傳輸模式的消息幀的典型構(gòu)成，從中可以發(fā)現(xiàn)，兩種傳輸模式在消息的起始端具有不同的特性，消息內(nèi)各域的編碼方式不同之外，沒有其他的區(qū)別。下面將統(tǒng)一進行消息內(nèi)各域的解析講解。

1、地址域 消息幀的地址包含兩個字符（ASCII）或8bits（RTU）?？赡艿膹脑O備地址是0~247（十進制）。單個設備的地址范圍是1~247.主設備把要聯(lián)系的從設備的地址放入消息中的地址域，發(fā)送出去，選通從設備。當從設備發(fā)送回應消息時，它把自己的地址放入回應的地址域中，以便主設備知道是哪一個從設備作出了回應。

地址0是用作廣播地址，以使所有的從設備都能認識。當Modbus協(xié)議用于更高水準的網(wǎng)絡，可能是不允許廣播或以其他方式代替。

2、功能代碼域 消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII）或8bits（RTU）?？赡艿拇a范圍是十進制的1~255.當然，有些代碼是適用于所有控制器，有些是應用于某種控制器，還有些保留以備后用。

當消息從主設備發(fā)往從設備時，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O備需要執(zhí)行哪些行為。例如去讀取輸入的開關狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗在從設備中的程序等。

當從設備回應時，它使用功能代碼域來指示是正?；貞o誤）還是產(chǎn)生某種錯誤（稱作異?；貞?。對正?；貞?，從設備僅回應相應的功能代碼。對異議回應，從設備返回一等同于正常代碼的代碼，但最重要的位置為邏輯1.

例如：一由主設備發(fā)往從設備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼：

00000011（十六進制 03H）

對正?；貞瑥脑O備僅回應同樣的功能代碼。對異?；貞?，它返回：

10000011（十六進制83H）

除功能代碼因異議錯誤作了修改外，從設備將一獨特的代碼放到回應消息的數(shù)據(jù)域中，以便告訴主設備發(fā)生了什么錯誤。

主設備應用程序得到異常的回應后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設備的消息并報告給操作員。

3、數(shù)據(jù)域 數(shù)據(jù)域是由兩個十六進制數(shù)集合構(gòu)成的，取值范圍00~FF。根據(jù)網(wǎng)絡傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由一RTU字符組成。

主設備發(fā)給從設備消息的數(shù)據(jù)域包含如下附加信息：從設備用于執(zhí)行由功能代碼所定義的功能所必需的參數(shù)，包括了寄存器地址、處理項的數(shù)目、域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等。

例如，如果主設備需要從設備讀取一組保持寄存器的數(shù)據(jù)（功能代碼03），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。主設備要寫一組從設備的寄存器（功能代碼十六制10）數(shù)據(jù)域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數(shù)量、數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。

如果沒有錯誤發(fā)生，從設備返回的數(shù)據(jù)域包含請求的數(shù)據(jù)。如果有錯誤發(fā)生，此域包含了一個異常代碼，主設備應用程序可以用來判斷以采取下一步行動。

在某種消息中數(shù)據(jù)域可以是不存在的（0長度）。例如，主設備要求從設備回應通信事件記錄（功能代碼十六進制0B），從設備不需任何附加的信息。

4、差錯校驗域 標準的Modbus串行網(wǎng)絡采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測（LRC或CRC）應用于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設備產(chǎn)生的，從設備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。

用戶要給主設備配置預定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使所有從設備都能作出正常反應。如果從設備檢測到傳輸錯誤，將不會接收消息，也不會向主設備作出回應。這時，超時事件將觸發(fā)主設備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設備的地址也會產(chǎn)生超時。

責任編輯：tzh