一文搞懂 Modbus RTU 協(xié)議

大家好，我是麥鴿，以前寫(xiě)過(guò)一篇文章是關(guān)于modbus協(xié)議的，只是簡(jiǎn)單地做了一下介紹，這次對于modbus RTU協(xié)議進(jìn)行了深入的學(xué)習。

介紹modbus rtu之前，我們可以了解到，Modbus是施耐德電氣公司，于1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議。四十多年過(guò)去了，現在仍然被廣泛使用在各個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域。除了這個(gè)協(xié)議很穩定的原因之外：

1. 免費；
2. 方便部署和維護；
3. 對供應商來(lái)說(shuō)，修改移動(dòng)本地的比特或字節沒(méi)有很多限制；

modbus 是OSI模型第七層上的應用層報文傳輸協(xié)議，OSI定義了開(kāi)放系統的層次結構、層次之間的相互關(guān)系以及各層所包括的可能的任務(wù)，作為一個(gè)框架來(lái)協(xié)調和組織各層所提供的服務(wù)。

OSI參考模型并沒(méi)有提供一個(gè)可以實(shí)現的方法，而是描述了一些概念，用來(lái)協(xié)調進(jìn)程間通信標準的制定。即OSI參考模型并不是一個(gè)標準，而是一個(gè)在制定標準時(shí)所使用的概念性框架。

modbus在OSI模型中，可以描述為下圖；

modbus osi模型中的位置

EIA485/TIA485就是RS485，隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展，485標準目前是電信行業(yè)協(xié)會(huì )（TIA）維護，所以名稱(chēng)為T(mén)IA-485，當然工程師及應用指南仍繼續用RS-485來(lái)稱(chēng)呼也是沒(méi)問(wèn)題的；

下面我們來(lái)介紹一些串行鏈路協(xié)議。

Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主從模式（主機和從機），半雙工的數據傳輸協(xié)議，485標準通常需要兩條線(xiàn)，在某一個(gè)確定時(shí)刻，有一個(gè)主機和從機進(jìn)行通訊。

• 主從模式：通?？偩€(xiàn)上有一個(gè)主機和多個(gè)從機，每個(gè)從機有唯一的ID，主機通過(guò)ID進(jìn)行尋址從機，然后進(jìn)行數據傳輸；
• 半雙工傳輸：相對應半雙工的是全雙工，全雙工運行發(fā)送數據和接收數據同時(shí)發(fā)生，所以半雙工就不難理解了，同一時(shí)刻只能進(jìn)行發(fā)送數據，或者只能接收數據；

整體的結構圖如下所示；

一個(gè)485總線(xiàn)的主從模式

這里我們還要明確幾點(diǎn)：

1. 從機無(wú)法主動(dòng)向從機發(fā)送數據，只有在主機發(fā)送數據給從機（發(fā)送請求），然后從機接收到主機發(fā)送的數據之后，再回傳數據給主機；具體如下所示；

主從模式

正如前面所提到的，modbus是半雙工傳輸的，即主機發(fā)送數據的時(shí)候，是不能接收數據的，所以這里總共分為兩步來(lái)進(jìn)行。

1. 主機發(fā)送數據的方式有兩種，一個(gè)是 1對1，一個(gè)是1對多，也就是我們常說(shuō)的廣播形式，所有從機都可以收到主機發(fā)送的數據；

   1對1 只需要發(fā)送數據給特定地址的從機即可，廣播只需要把發(fā)送地址設置為0即可，所以廣播地址為0；

這里我們已經(jīng)大致了解了主機和從機之間的數據傳輸的情況，下面我們就再來(lái)介紹一下數據傳輸的具體格式；

先來(lái)說(shuō)說(shuō)Modbus有兩種傳輸模式，RTU傳輸模式和ASCII傳輸模式；

• RTU傳輸：Remote Terminal Unit模式在Modbus中消息由十六進(jìn)制組成，數據密度高，吞吐率高；

• ASCII傳輸：消息由ASCII 字符發(fā)送效率不及RTU模式，無(wú)法使用RTU模式的定時(shí)管理時(shí)，使用ASCII模式；

  比如：0x12會(huì )被整合成兩個(gè)字符發(fā)送：0x31和0x32發(fā)送，

  因為 0x31等于字符1；0x32等于字符2

下面我們會(huì )主要介紹modbus RTU。

在講幀格式之前，首先我們想象一下，人與人之間的對話(huà)，最基本單元是漢字，然后相互交流就用漢字組成的句子，比如下面的對話(huà)；

• 老板問(wèn)：中午吃什么？
• 小樟說(shuō)：吃飯吧！

所以機器之間的通信也是類(lèi)似的，我們可以把字節當作最基本的數據單元，然后由字節組成句子，也就是通信幀；

但是現在情況出現了變化，對話(huà)的人里，除了小樟，還有一個(gè)小紅，這時(shí)候，為了明確和誰(shuí)說(shuō)話(huà)，就需要在對話(huà)前面加上名字：

• 老板：小樟，中午吃面嗎？
• 小樟：老板，吃飯去吧。
• 小紅，沒(méi)有叫他，語(yǔ)言柚子；

所以我們繼續回到modbus的數據幀格式，這里的協(xié)議定義了一個(gè)基礎通信層的簡(jiǎn)單協(xié)議數據單元（PDU），具體如下圖所示；

所以這里基本分為四個(gè)部分，地址域，功能碼，數據，差錯校驗（CRC/LRC），統稱(chēng)為ADU (Application Data Unit)，基本上進(jìn)行傳輸的數據都要滿(mǎn)足這個(gè)格式，作為一個(gè)完整的幀，對照前面老板的對話(huà)內容，我們這里可以簡(jiǎn)單的理解一下：

• 地址域：可以理解成 具體和誰(shuí)說(shuō)話(huà)；
• 功能碼：可以理解成 具體動(dòng)作，比如 去做，來(lái)拿，去吃 等等；
• 數據：可以理解成 具體內容，比如 面，飯 等等，也可以是其他，這里配合上下文，所以是吃的東西；
• 差錯校驗：可以理解成，說(shuō)出來(lái)的話(huà)必須可以讓人理解，不然別人聽(tīng)不懂??；實(shí)際上在協(xié)議中通常使用CRC或LRC保證傳輸的數據沒(méi)有錯誤；

下面我們再深入分析一下；

Modbus PDU(protocol data unit)格式被定義為一個(gè)功能代碼，后面跟著(zhù)一組關(guān)聯(lián)的數據。

該數據的大小和內容由功能代碼定義，整個(gè)PDU（功能代碼和數據）的大小不能超過(guò)253個(gè)字節。

每個(gè)功能代碼都有一個(gè)特定的行為，從設備可以根據所需的應用程序行為靈活地實(shí)現這些行為。

PDU規范定義了數據訪(fǎng)問(wèn)和操作的核心概念；但是，從設備可能會(huì )以規范中未明確定義的方式處理數據。

地址域占用一個(gè)字節，所以一般來(lái)說(shuō)尋址范圍是0~255，一般在系統中用1~147，其他地址暫時(shí)保留，另外，同一個(gè)總線(xiàn)上的從機，每個(gè)地址必須唯一。

其中0是廣播地址；

下面是Freemodbus的一個(gè)從機初始化代碼，0x02就是這個(gè)從機的地址，

eMBInit(MB_RTU, 0x02, 3, 115200, MB_PAR_NONE);

功能碼占一個(gè)字節，所以范圍是 0~255，協(xié)議中規定了功能碼分為三類(lèi)：公共功能碼，用戶(hù)自定義功能碼，保留功能碼。整體如下所示；

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公共功能碼必須保證它的唯一性，這是由Modbus組織已經(jīng)規定好，并且具有一致性測試的功能碼，所以在一定程度上，它保證了協(xié)議的可復用性。

由上表可知，公共功能碼分為四種，分別是：

• 離散量輸入：只讀類(lèi)型，單位：bit；
• 線(xiàn)圈：讀寫(xiě)類(lèi)型，單位：bit；
• 輸入寄存器：只讀類(lèi)型，單位：字節；
• 保持寄存器：讀寫(xiě)類(lèi)型，單位：字節；

下面是移植Freemodbus協(xié)議，從機上需要對這四個(gè)公共功能碼處理的回調函數：

//輸入寄存器量
eMBErrorCode eMBRegInputCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs )
{
  eMBErrorCode    eStatus = MB_ENOERR;
  return eStatus;
}
//保持寄存器量
eMBErrorCode
eMBRegHoldingCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs,
                 eMBRegisterMode eMode )
{
    eMBErrorCode    eStatus = MB_ENOERR;
    return eStatus;
}

//線(xiàn)圈數量 
eMBErrorCode
eMBRegCoilsCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNCoils,
               eMBRegisterMode eMode )
{
    eMBErrorCode    eStatus = MB_ENOERR;
    return eStatus;
}

//離散輸入數量 
eMBErrorCode
eMBRegDiscreteCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNDiscrete )
{
    eMBErrorCode    eStatus = MB_ENOERR;
    return eStatus;
}

我們先看一下最底層modbus數據是如何發(fā)送的，沒(méi)錯，看到RS485和232，那我們自然想到了串口。

所以最根本的數據格式可以參考一下串口數據的定義，也就是我們說(shuō)的起始位，數據位，校驗位，數據位；具體如下所示；

所以這里我們可以規定一下：

起始位+數據位+校驗位（可選）+ 停止位 等于一個(gè)字符；因此這里可以通過(guò)串口的波特率去計算出單個(gè)字符所需要的時(shí)間。

然后我們再看一下，modbus幀是如何發(fā)送的？

在RTU模式中，幀之間的間隔至少為3.5個(gè)字符的空閑時(shí)間間隔，以便于表示幀的開(kāi)始和幀的結束，所以如果想自己整一個(gè)modbus rtu就需要一個(gè)定時(shí)器去結算空閑時(shí)間的長(cháng)度。

3.5字符時(shí)間

整個(gè)數據必須以連續的字符流進(jìn)行發(fā)送，如果兩個(gè)字符之間的長(cháng)度等于1.5個(gè)字符時(shí)間，則認為幀消息不完整，則認為設備不該接收該消息，具體如下所示；

1.5字符時(shí)間

這里需要注意的是RTU需要定時(shí)器中斷的參與，所以，1.5字符時(shí)間和3.5字符時(shí)間的檢測，在串口通訊速率很高的時(shí)候，需要高頻率得進(jìn)入中斷，這就會(huì )增加系統開(kāi)銷(xiāo)。

所以通常在波特率低于19200的時(shí)候，可以嚴格遵守1.5和3.5字符時(shí)間的規定。

如果波特率大于19200的時(shí)候，需要滿(mǎn)足兩個(gè)固定時(shí)間即可：

• 1.5字符時(shí)間：750 us；
• 3.5字符時(shí)間：1.75ms；

本文簡(jiǎn)單介紹了modbus rtu協(xié)議，包括串行鏈路通信，幀格式以及硬件鏈路層的消息格式，能力有限，本文難免存在錯誤和紕漏，請不吝賜教。篇幅有限本文先到這里，下一篇介紹一下如何移植Freemodbus協(xié)議以及調試協(xié)議的過(guò)程。

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