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什么是Modbus协议
MODBUS 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议,它在连接至不同类型总线或网络的设备 之间提供客户机 / 服务器通信。简单地说,在我们的单片机之间互相通信,以及单片机和上位机通信中,规定了不同的内容规范,这个规范是通信的双方都需要遵守的,这样就可以实现两者的通信。
而这个协议规范可以有很多种,来适应不同的设备以及通信要求等,我们常见的就有IIC SPI UART串口通信协议等等。而Modbus也是一个串行通信协议。
什么是RS-485 RS-232
我们在看Modbus的时候,经常会看到485串口,232串口,这些是什么呢?
RS232,RS485是一种电平标准
数据在通信双方之间传输,本质是传输物理的电平比方说传输5V的电压 -1V的电压信号,这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰,比方说你传输一个5V的电压,到了接收端可能就变成了4.8V,并且通信的双方高低电平的参考电压可能不同。
那么这个时候就需要一个电平标准,来判断多少V的电压是高电平 1,多少V的电压是低电平 0 这就诞生了 RS-485 RS-232
RS232:是电子工业协会(Electronic Industries Association,EIA) 制定的异步传输标准接口,同时对应着电平标准和通信协议(时序),其电平标准:+3V~+15V对应0,-3V~-15V对应1。
全双工逻辑1:-15V–5V逻辑0:+3V–+15V
RS485:RS485是一种串口接口标准,为了长距离传输采用差分方式传输,传输的是差分信号,抗干扰能力比RS232强很多。两线压差为-2~6V表示0,两线压差为+2~6V表示1
半双工逻辑1:+2V–+6V逻辑0: -6V—2V注意485的电平指的是485-A和485-B两根传输线,两线间的电压差。而不是传输线上的电压
也就是RS-485电平标准确定传输过来的数据是0还是1,在此基础上,这些字节数据根据modbus通信协议来进行数据的交互传输。
Modbus协议说明
Modbus诞生于1979年 莫迪康公司 后来被施耐德电气公司收购。Modbus提供通用语言用于彼此通信的设备和设备。
Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准,并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议
最简单的说,Modbus就是一个总线通信协议,像IIC SPI这种,但是他不依赖于硬件总线
Modbus之所以使用广泛,是有他的优点的
Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求Modbus协议支持多种电气接口,包括RS232、RS485、TCP/IP等,还可以在各种介质上传输,如双绞线、光纤、红外、无线等Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单,厂商容易开发和集成,方便形成工业控制网络
举一个简单的例子,我们常用的IIC通信协议,需要在物理上连接iic总线,然后加上拉电阻,规定好物理层的高低电平。
而 Modbus协议是一种应用层报文传输协议,协议本身并没有定义物理层,定义了控制器能够认识和使用的消息结构,不管它们是经过何种网络进行通信的。所以能够适应多种电气接口,因此使用非常广泛。
Modebus通信过程
注意Modbus是一主多从的通信协议
Modbus通信中只有一个设备可以发送请求。其他从设备接收主机发送的数据来进行响应,从机是任何外围设备,如I/O传感器,阀门,网络驱动器,或其他测量类型的设备。从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。
也就是说,不能Modbus同步进行通信,主机在同一时间内只能向一个从机发送请求,总线上每次只有一个数据进行传输,即主机发送,从机应答,主机不发送,总线上就没有数据通信。
从机不会自己发送消息给主站,只能回复从主机发送的消息请求。
并且,Modbus并没有忙机制判断,比方说主机给从机发送命令, 从机没有收到或者正在处理其他东西,这时候就不能响应主机,因为modbus的总线只是传输数据,没有其他仲裁机制,所以需要通过软件的方式来判断是否正常接收。
举例
现在,我们来探讨Modbus数据传输的方式,可以简单地理解成打电话。并且是单向通信的打电话
主机发送数据,首先需要从机的电话号码(区分每个从机,每个地址必须唯一),告诉从机打电话要干什么事情,然后是需要发送的内容,最后再问问从机,我说的话你都听清楚了没有呀,没有听错吧?
然后从机这里,得到了主机打过来的电话,从机回复主机需要的内容,主机得到从机数据,这样就是一个主机到从机的通信过程
就好比老师和你打电话,老师拨通了你的电话号,然后老师跟你说,小王呀,我这里需要你给我发东西,发的内容是上周的一周总结,你说好的,然后打开你电脑的文件夹,把你的周报发给老师,这就是一个通信过程。
Modbus存储区
既然从机存储数据,那么肯定要有一个存储区,那就需要文件操作,我们都知道这文件可以分为只读(-r)和读写(-wr)两种类型
并且存储的数据类型可以分为 :布尔量 和 16位寄存器
布尔量比如IO口的电平高低,灯的开关状态等。16位寄存器比如 传感器的温度数据,存储的密码等。
Modbus协议规定了4个存储区 分别是0-4区 其中0区和4区是可读可写,1区和3区是只读。
并且Modbus还给每个区都划分了地址范围主机向从机获取数据时,只需要告诉从机数据的起始地址,还有获取多少字节的数据,从机就可以发送数据给主机
Modbus数据模型规定了具体的地址范围,每一个从机,都有实际的物理存储,跟modbus的存储区相对应,主机读写从机的存储区,实际上就是对从机设备对应的实际存储空间进行读写。
Modbus协议类型
在上面我们已经说明了Modbus可以在各种介质上传输,那么他的传输模式也分为三种。包括ASCII、RTU(远程终端控制系统)、TCP三种报文类型
串行端口存在多个版本的Modbus协议,而最常见的是下面四种:
Modbus-RtuModbus-AsciiModbus-TcpModbusPlus
Modbus RTU是一种紧凑的,采用二进制表示数据的方式,Modbus ASCII是一种采用Ascii码表示数据,并且每个8Bit 字节都作为两个ASCII字符发送的表示方式。
RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和,而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。
Modbus协议使用串口传输时可以选择RTU或ASCII模式,并规定了消息、数据结构、命令和应答方式并需要对数据进行校验。ASCII 模式采用LRC校验,RTU模式采用16 位CRC校验。通过以太网传输时使用TCP,这种模式不使用校验,因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。
当然常用的就是RTU模式,ASCII一般很少
举一个简单的例子,如果我们需要发送一个数字10
那么RTU模式下,只需要发送0x0A
而ASCII码模式则需要发送0x31(1) 0x30(0)
两个字节数据。详细的我们等下再阐述
Modbus-RTU协议
Modbus报文帧结构
一个报文就是一帧数据,一个数据帧就一个报文: 指的是一串完整的指令数据,本质就是一串数据。
Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据,其中包含着从机的地址,主机想执行的操作,校验码等内容
Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示:
帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验
从机地址:每个从机都有唯一地址,占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)
功能码:占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
数据:根据功能码不同,有不同功能,比方说功能码是查询从机的数据,这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
校验:在数据传输过程中可能数据会发生错误,CRC检验检测接收的数据是否正确
Modbus功能码
Modbus规定了多个功能,那么为了方便的使用这些功能,我们给每个功能都设定一个功能码,也就是指代码。
Modbus协议同时规定了二十几种功能码,但是常用的只有8种,用于对存储区的读写,如下表所示:
当然我们用的最多的就是03和06 一个是读取数据,一个是修改数据。
CRC校验
错误校验(CRC)域占用两个字节包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来,然后附加到数据帧上,接收设备在接收数据时重新计算CRC值,然后与接收到的CRC域中的值进行比较,如果这两个值不相等,就发生了错误。
比如主机发出01 06 00 01 00 17 98 04, 98 04 两个字节是校验位,那么从机接收到后要根据01 06 00 01 00 17 再计算CRC校验值,从机判断自己计算出来的CRC校验是否与接收的CRC校验(98 04主机计算的)相等,如果不相等那么说明数据传输有错误,这些数据就不能要。
CRC校验流程:
1、预置一个16位寄存器为0FFFFH(全1),称之为CRC寄存器。
2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算,结果存回CRC寄存器。
3、将CRC寄存器向右移一位,最高位填以0,最低位移出并检测。
4 、如果最低位为0:重复第三步(下一次移位);如果最低位为1:将CRC寄存器与一个预设的固定值(0A001H)进行异或运算。
5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。
6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位,直到所有的字节处理结束。
7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。
此外还有一种利用预设的表格计算CRC的方法,它的主要特点是计算速度快,但是表格需要较大的存储空间,该方法此处不在阐述
下面我们来看详细的发送和接收数据:
1、主机对从机读数据操作
主机发送报文格式如下:
含义:
0x01:从机的地址
0x03:查询功能,读取从机寄存器的数据
0x00 0x01: 代表读取的起始寄存器地址.说明从0x0001开始读取.
0x00 0x01: 查询的寄存器数量为0x0001个 Modbus把数据存放在寄存器中,通过查询寄存器来得到不同变量的值,一个寄存器地址对应2字节数据; 寄存器地址对应着从机实际的存储地址
0xD5 0xCA: 循环冗余校验 CRC
从机回复报文格式如下:
含义:
0x01:从机的地址
0x03:查询功能,读取从机寄存器的数据
0x02: 返回字节数为2个 一个寄存器2个字节
0x00 0x17:寄存器的值是0017
0xF8 0x4A: 循环冗余校验 CRC
2、主机对从机写数据操作
主机发送报文格式如下:
含义:
0x01:从机的地址
0x06:修改功能,修改从机寄存器的数据
0x00 0x01: 代表修改的起始寄存器地址.说明修改0x0001-0x0003的存储内容
0x00 0x17: 要修改的数据值为0017
0x98 0x04: 循环冗余校验 CRC
从机回复报文格式如下:
含义:
0x01:从机的地址
0x06:修改功能,修改从机寄存器的数据
0x00 0x01: 代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000
0x00 0x17:修改的值为0017
0x98 0x04: 循环冗余校验 CRC
从机的回复和主机的发送是一样的,如果不一样说明出现了错误
Modbus-ACSII协议
在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送
十六进制的0-F 分别对应ASCII字符的0…9,A…F
也就是0x30~0x3A 0x41~0x46
下方是ascii的报文帧
1个字节起始位
2个字节地址位
2个字节功能位
n个数据位,最小的有效位先发送
LRC(纵向冗长检测)注意校验方式不同
结束符CR LF
可以看到数据部分更加繁琐,正常我们使用都是用RTU格式,ASCII码格式有了解即可。
总结:
ModbusASCII有开始字符(和结束字符(CR LF),可以作为一帧数据开始和结束的标志,而ModbusRTU没有这样的标志,需要用时间间隔来判断一帧报文的开始和结束,协议规定的时间为3.5个字符周期,就是说一帧报文开始前,必须有大于3.5个字符周期的空闲时间,一帧报文结束后,也必须要有3.5个字符周期的空闲时间否则就会出现粘包的情况。
注意:针对3.5个字符周期,其实是一个具体时间,但是这个时间跟波特率相关。 在串口通信中,1个字符包括1位起始位、8位数据位(一般情况)、1位校验位(或者没有)、1位停止位(一般情况下),因此1个字符包括11个位,那么3.5个字符就是38.5个位,波特率表示的含义是每秒传输的二进制位的个位,因此如果是9600波特率,3.5个字符周期=/960038.5=0.00401s1000=4.01ms
Modbus-TCP协议
我们首先看下Modbus-TCP和Modbus-ACSII的区别
Modbus-TCP并不需要从从机地址,而是需要MBAP报文头
并且不需要差错校验,因为TCP本身就具有校验差错的能力
MBAP报文头格式如下: