Modbus通信協(xié)議入門指南

Modbus算是嵌入式領(lǐng)域比較經(jīng)典一種通信協(xié)議，不管你是初學(xué)者，還是工作多年的工程師，都很有必要了解一下。

1.什么是Modbus?

顧名思義，它是一個Bus，即總線協(xié)議。比如串口協(xié)議、IIC協(xié)議、SPI都是通信協(xié)議。你接觸到這種協(xié)議，相信你所處的行業(yè)是工業(yè)電子方面或者你的產(chǎn)品用于工業(yè)。

好了，現(xiàn)在知道了大概知道了，這是一個總線協(xié)議，是一個Mod什么的公司發(fā)表的一個通信協(xié)議。那為什么要用這個呢? 答案就是他們都在用，你就得學(xué)，啊哈哈!

正經(jīng)的說，它被工業(yè)領(lǐng)域所接受的原因是它具備一下三個優(yōu)點

公開發(fā)表并且無版權(quán)要求

易于部署和維護(hù)

對供應(yīng)商來說，修改移動本地的比特或字節(jié)沒有很多限制

簡單的概括,就是免費+簡單+方便修改!

歸納：Modbus就是一種用在工業(yè)上的簡單協(xié)議!

2.Modbus用來干什么?

用兩個字概括：通信

是的，所有協(xié)議都是用來通信的，協(xié)議的制定就是讓兩個人根據(jù)這個協(xié)議看懂傳來的一組數(shù)據(jù)。比如我給你一個6666，你要是沒有協(xié)議，就只知道這是6666，而有了協(xié)議，你就知道了這是在問我是不是大佬?當(dāng)然，也可以表示其他意思，具體什么意思就看你協(xié)議怎么制定！

歸納：Modbus用來通信嘍，是個人都知道！

3.Modbus的內(nèi)容是什么?

大致分為以下幾種:

Modbus-RTU

Modbus-ASCII

Modbus-TCP

以上三種協(xié)議，一個設(shè)備只會有一種協(xié)議，如果你的設(shè)備使用的是Modbus-RTU，只需查看以下對應(yīng)部分，一般來說大部分的設(shè)備都是Modbus-RTU協(xié)議的。

4.通訊過程

Modbus是主從方式通信，也就是說，不能同步進(jìn)行通信，總線上每次只有一個數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，即主機發(fā)送，從機應(yīng)答，主機不發(fā)送，總線上就沒有數(shù)據(jù)通信。(所以說，這也算是一個缺點了)

舉例1: 一個總線上有一個主機，多個從機，主機查詢其中一個從機，首先你必須得這些從機分配地址(這樣才能知道哪個從機，而且每個地址必須唯一)，分配好地址后，主機要查詢，然后數(shù)據(jù)下發(fā)(數(shù)據(jù)內(nèi)容下面會介紹)，從機得到主機發(fā)送的數(shù)據(jù),然后對應(yīng)地址的從機回復(fù)，主機得到從機數(shù)據(jù)，這樣就是一個主機到從機的通信過程，是不是很簡單呢?

舉例2: 就像打電話，你得知道對方的電話(這就是唯一地址)，然后你打電話過去，相當(dāng)于主機查找從機，然后對方接通電話，給你回復(fù)(返回數(shù)據(jù))，正常是這樣的。

如果這時候，對方正在打電話，你應(yīng)該聽到的是"sorry,you…"這一串英文，說明對方忙，但是Modbus總線不能判斷對方是否忙，也沒有對應(yīng)的仲裁機制，好了你又知道了一個缺點了！但是，你可以用軟件的辦法進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚頂?shù)據(jù)！

5 Modbus-RTU協(xié)議

設(shè)備必須要有RTU協(xié)議！這是Modbus協(xié)議上規(guī)定的，且默認(rèn)模式必須是RTU，ASCII作為選項。（也就是說，一般的設(shè)備只有RTU這個協(xié)議，ASCII一般很少）所以說，一般學(xué)習(xí)Modbus協(xié)議，只需要了解RTU的協(xié)議，ASCII作為學(xué)習(xí)的了解就足夠了。

1、幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu) = 地址 + 功能碼+ 數(shù)據(jù) + 校驗

地址: 占用一個字節(jié)，范圍0-255，其中有效范圍是1-247，其他有特殊用途，比如255是廣播地址(廣播地址就是應(yīng)答所有地址，正常的需要兩個設(shè)備的地址一樣才能進(jìn)行查詢和回復(fù))。

功能碼：占用一個字節(jié)，功能碼的意義就是，知道這個指令是干啥的，比如你可以查詢從機的數(shù)據(jù)，也可以修改數(shù)據(jù)，所以不同功能碼對應(yīng)不同功能。

數(shù)據(jù)：根據(jù)功能碼不同，有不同結(jié)構(gòu)，在下面的實例中有說明。

校驗：為了保證數(shù)據(jù)不錯誤，增加這個，然后再把前面的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算看數(shù)據(jù)是否一致，如果一致，就說明這幀數(shù)據(jù)是正確的，我再回復(fù)；如果不一樣，說明你這個數(shù)據(jù)在傳輸?shù)臅r候出了問題，數(shù)據(jù)不對的，所以就拋棄了。

2、實戰(zhàn)

只談理論大家可能不太明白，下面舉一個例子。Modbus-RTU協(xié)議一般我們用的最多功能碼就是03和06，大部分都是用modbus來查詢傳感器上的信息用03查詢功能碼，如果需要修改傳感器寄存器的值就用06修改功能碼，其他的不需要過多關(guān)注，學(xué)多了你也記不住，哈哈哈！

2.1 查詢功能碼0x03

功能描述：現(xiàn)在我是主機，我要查詢從機地址為01的數(shù)據(jù)。我現(xiàn)在用電腦的modbus調(diào)試助手來代替主機，stm32來代替從機。

我需要發(fā)送以下數(shù)據(jù)：

主機發(fā)送:?01?03?00?00?00?01?84?0A
從機回復(fù):?01?03?02?19?98?B2?7E

那么這一組數(shù)據(jù)是什么意思呢?

從上面的結(jié)構(gòu)圖中，可以看出，主機發(fā)送的數(shù)據(jù)大致是 地址+功能碼+數(shù)據(jù)+校驗；

所以解析如下:

發(fā)送數(shù)據(jù)解析

01-地址，也就是你傳感器的地址
03-功功能碼，03代表查詢功能，查詢傳感器的數(shù)據(jù)
00?00-代表查詢的起始寄存器地址.說明從0x0000開始查詢。這里需要說明以下，Modbus把數(shù)據(jù)存放在寄存器中，通過查詢寄存器來得到不同變量的值，一個寄存器地址對應(yīng)2字節(jié)數(shù)據(jù)
00?01-代表查詢了一個寄存器.結(jié)合前面的00?00,意思就是查詢從0開始的1個寄存器值
84?0A-循環(huán)冗余校驗,是modbus的校驗公式,從首個字節(jié)開始到84前面為止;

回復(fù)數(shù)據(jù)解析

01-地址，也就是你傳感器的地址
03-功功能碼，03代表查詢功能，查詢傳感器的數(shù)據(jù)。這里要注意的是注意發(fā)給從機的功能碼是啥，從機就要回復(fù)同樣的功能碼，如果不一樣說明這一幀數(shù)據(jù)有錯誤
02-代表后面數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),因為上面說到,一個寄存器有2個字節(jié),所以后面的字節(jié)數(shù)肯定是2*查詢的寄存器個數(shù);
19?98-寄存器的值是19?98,結(jié)合發(fā)送的數(shù)據(jù)看出,01這個寄存器的值為19?98
B2?7E-循環(huán)冗余校驗

好了，是不是很簡單呢?基本流程就是：

發(fā)送：從機的地址+我要干嘛的功能碼+我要查的寄存器的地址+我要查的寄存器地址的個數(shù)+校驗碼

回復(fù)：從機的地址+主機發(fā)我的功能碼+要發(fā)送給主機數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)+校驗碼

就是這么簡單！

2.2 修改功能碼0x06

如果我要修改從機的數(shù)據(jù)呢?那么這個協(xié)議有嗎？當(dāng)然有，那就是0x06

1、修改—0x06功能碼

主機發(fā)送:?01?06?00?00?00?01?48?0A
從機回復(fù):?01?06?00?00?00?01?48?0A

誒，看上去怎么一樣的啊?是不是錯了?答案是這是正確的；

發(fā)送數(shù)據(jù)解析

01-主機要查詢的從機地址
06-功能碼,06代表修改單個寄存器功能,修改有些不同,有修改一個寄存器和修改多個寄存器;
00?00-代表修改的起始寄存器地址.說明從0x0000開始.
00?01-代表修改的值為00?01.結(jié)合前面的00?00,意思就是修改0號寄存器值為00?01;
48?0A-循環(huán)冗余校驗,是modbus的校驗公式,從首個字節(jié)開始到48前面為止;

回復(fù)數(shù)據(jù)解析

01-從機返回給主機自己的地址,說明這就是主機查的從機
06-功能碼,代表修改單個寄存器功能，主機發(fā)啥功能碼，從機就必須回什么功能碼;
00?00-代表修改的起始寄存器地址.說明是0x0000.
00?01-代表修改的值為00?01.結(jié)合前面的00?00,意思就是修改0號寄存器值為00?01;
48?0A-循環(huán)冗余校驗,是modbus的校驗公式,從首個字節(jié)開始到48前面為止;

如果回復(fù)的一樣，說明這個數(shù)據(jù)是修改成功的；如果功能碼不是06，而是別的，說明從機回復(fù)的數(shù)據(jù)有誤，主機可以做相應(yīng)的處理。

2、修改-0x10功能碼

如果我要修改多個寄存器，難道用06發(fā)好幾次，這樣不會太傻了嗎？所以Modbus RTU協(xié)議包含了修改連續(xù)多個寄存器的方法，就是功能碼為0x10；這個大家自己去查詢，基本和上面的數(shù)據(jù)格式差不多。

歸納

Modbus-RTU協(xié)議只需要看懂功能碼0x03、0x06、0x10這三個基本的就已經(jīng)足夠了，分別回想下其數(shù)據(jù)域部分：

0x03—主機需要發(fā)送起始地址+寄存器數(shù)量，從機回復(fù)總字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)；

0x06—主機發(fā)送起始地址+數(shù)據(jù)內(nèi)容（因為你只需要修改一個，所以起始地址就是所要修改的地址），從機返回起始地址+數(shù)據(jù)內(nèi)容（發(fā)現(xiàn)居然一樣?。?/p>

0x10—主機發(fā)送起始地址+寄存器個數(shù)+總字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)，從機返回起始地址+寄存器數(shù)量

6 Modbus-ACSII協(xié)議

一般只需要了解RTU協(xié)議，因為前面有說過，必須要有RTU協(xié)議的，所以只需要了解了RTU協(xié)議，就可以讀出設(shè)備信息了，至于ACSII協(xié)議，做個大概了解即可。

1.幀形式

對于RTU協(xié)議，比如RTU發(fā)送一個字節(jié)：0x12；ASCII協(xié)議則需要發(fā)送2個字節(jié)：一個字節(jié)代表ASCII碼1，一個代表ASCII碼2，即0x31和0x32，才能代表0x12。所以，ASCII協(xié)議的效率比較低。但是ASCII更符合串口打印查看，因為串口發(fā)送的數(shù)據(jù)一般都是文本模式(ASCII)。

比如用RTU方式，也叫16進(jìn)制方式，要發(fā)0x03數(shù)據(jù)，RTU方式就發(fā)送00000011。用ASCII發(fā)送0x03，就要發(fā)送0的ASCII碼0x30和3的ASCII碼0x33，對應(yīng)到2進(jìn)制也就是發(fā)送00110000和00110011。很顯然RTU方式只需要發(fā)送8位就可以了(加上起始位和停止位就是10位數(shù)據(jù))。那么ASCII碼方式發(fā)送就需要兩個8位(每個8位分別加上起始位和停止位就是20位數(shù)據(jù))。也就是說ASCII碼發(fā)送數(shù)據(jù)量是RTU方式的2倍，所以ASCII碼效率更低。

那么ASCII碼效率更低，數(shù)據(jù)發(fā)送量大為啥還采用這種方式呢？

因為假如你要發(fā)送數(shù)據(jù)0x03，采用RTU方式(16進(jìn)制發(fā)送)，計算機中端設(shè)備接收到0x03后是不可以顯示的，就是不能把0x03打印出來。因為可見字符的ASCII碼是從32—126，不是這個范圍以外的顯示屏上都看不到，會出現(xiàn)亂碼，如果是串口助手的話就會顯示□□□□。如果采用ASCII方式(文本模式發(fā)送)，就不會出現(xiàn)不可顯示和亂碼的情況，因為文本模式發(fā)送0x03，就是發(fā)送ASCII碼0和ASCII碼3，也就是0x30和0x33，是可以正常顯示在計算機中端的。所以現(xiàn)在知道為什么還要使用ASCII效率比較低的方式發(fā)送了吧，只是為了方便調(diào)試顯示而已。

從上面的圖中，看出：

1）比RTU多了起始段:，多個結(jié)束符CR，LF

2）地址和功能都變成了2個字節(jié)；

3）數(shù)據(jù)部分更加繁瑣，但是更符合人們的查看；

2.歸納

由于Modbus-RTU和Modbus-ACSII都是基于232和485鏈路的，所以其通訊模式半雙工，一般是主機和從機的模式。其差別就是其字節(jié)的格式不同，一個是16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，一個是ASCII數(shù)據(jù)。ASCII多了幀頭和幀尾，也就是說可以有用這個頭尾判斷一幀字節(jié)來判斷是否結(jié)束；而RTU沒有幀頭和幀尾，所以協(xié)議里明確兩幀之間要大于3.5個字節(jié)時間間隔，作為一幀結(jié)束的判斷依據(jù)。對于RS485來說，總線上一般允許最大32個設(shè)備。

7 備注

最后再補充點：Modbus從設(shè)備的回應(yīng)數(shù)據(jù)格式是：1、回應(yīng)的數(shù)據(jù)包與主機查詢的數(shù)據(jù)包格式一致。從機正?；貞?yīng)時：功能碼與主機發(fā)送的功能碼一致(1-127)如果異?；貞?yīng)時：功能碼要在收的主機的功能碼的基礎(chǔ)上加128。不要問為啥加128，你去問造協(xié)議的那一幫人吧！

因為電腦只支持USB，所以我們需要把USB轉(zhuǎn)TTL串口，再轉(zhuǎn)成485接口之后與單片機相連，這是硬件最基本的，但是也需要注意。

最后修改了一下串口調(diào)試助手，加了一個CRC校驗的功能，就可以獲取。