Modbus 協(xié)議是應(yīng)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(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它,不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程,如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求,以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。 當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí),此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址,識別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng),控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測的方法。
在Modbus網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸
標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用一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(yàn)。控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。 控制器通信使用主—從技術(shù),即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備：主機(jī)和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。 主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信,也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信,從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng),如果是以廣播方式查詢的,則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯(cuò)誤檢測域。 從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成,包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯(cuò)誤,或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令,從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。
在其它類型網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸
在其它網(wǎng)絡(luò)上,控制器使用對等技術(shù)通信,故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨(dú)的通信過程中,控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個(gè)內(nèi)部通道可允許同時(shí)發(fā)生的傳輸進(jìn)程。 在消息位,Modbus協(xié)議仍提供了主—從原則,盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對等”。如果一控制器發(fā)送一消息,它只是作為主設(shè)備,并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣,當(dāng)控制器接收到一消息,它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。
查詢—回應(yīng)周期
（1）查詢 查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。 （2）回應(yīng) 如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng),在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生,功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的,同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。
兩種傳輸方式
控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式,包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等）,在配置每個(gè)控制器的時(shí)候,在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。 所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò),它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。 在其它網(wǎng)絡(luò)上（象MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關(guān)的幀。 1、ASCII模式 當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以ASCII（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信,在消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。 代碼系統(tǒng) · 十六進(jìn)制,ASCII字符0...9,A...F · 消息中的每個(gè)ASCII字符都是一個(gè)十六進(jìn)制字符組成 每個(gè)字節(jié)的位 · 1個(gè)起始位 · 7個(gè)數(shù)據(jù)位,最小的有效位先發(fā)送 · 1個(gè)奇偶校驗(yàn)位,無校驗(yàn)則無 CRC域是兩個(gè)字節(jié),包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC,并與接收到的CRC域中的值比較,如果兩值不同,則有誤。 CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器,然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個(gè)字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效,起始位和停止位以及奇偶校驗(yàn)位均無效。 CRC產(chǎn)生過程中,每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相或（OR）,結(jié)果向最低有效位方向移動,最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測,如果LSB為1,寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值或一下,如果LSB為0,則不進(jìn)行。整個(gè)過程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后,下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值,是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。
CRC添加到消息中時(shí),低字節(jié)先加入,然后高字節(jié)。
CRC簡單函數(shù)如下： unsigned short CRC16(puchMsg, usDataLen) unsigned char *puchMsg ; /* 要進(jìn)行CRC校驗(yàn)的消息 */
unsigned short usDataLen ; /* 消息中字節(jié)數(shù) */
{
unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; /* 高CRC字節(jié)初始化 */
unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; /* 低CRC 字節(jié)初始化 */
unsigned uIndex ; /* CRC循環(huán)中的索引 */
while (usDataLen--) /* 傳輸消息緩沖區(qū) */
{
uIndex = uchCRCHi ^ *puchMsgg++ ; /* 計(jì)算CRC */
uchCRCHi = uchCRCLo ^ auchCRCHi[uIndex} ;
uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex] ;
}
return (uchCRCHi << 8 uchCRCLo) ;
}
/* CRC 高位字節(jié)值表 */
static unsigned char auchCRCHi[] = {
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40
} ;
/* CRC低位字節(jié)值表*/ static char auchCRCLo[] = { 0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09, 0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3, 0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A, 0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26, 0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F, 0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5, 0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C, 0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C, 0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80, 0x40 } ;
ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng),由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。下表1是ModBus的功能碼定義。
表1 ModBus功能碼
01 READ COIL STATUS
02 READ INPUT STATUS
03 READ HOLDING REGISTER
04 READ INPUT REGISTER
05 WRITE SINGLE COIL
06 WRITE SINGLE REGISTER
15 WRITE MULTIPLE COIL
16 WRITE MULTIPLE REGISTER
ModBus網(wǎng)絡(luò)只是一個(gè)主機(jī),所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器,但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個(gè)系統(tǒng),各PC可以和中心主機(jī)交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。
（1）ModBus的傳輸方式
在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機(jī)PC通信的能力是同等的。選擇時(shí)應(yīng)視所用ModBus主機(jī)而定,每個(gè)ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式,不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼）,另一種模式是RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）這兩種模式的定義見表3
表3 ASCII和RTU傳輸模式的特性
ASCII可打印字符便于故障檢測,而且對于用高級語言（如Fortan）編程的主計(jì)算機(jī)及主PC很適宜。RTU則適用于機(jī)器語言編程的計(jì)算機(jī)和PC主機(jī)。 用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式,則每個(gè)RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩部分,這兩部分各含4位,然后轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制等量值。用以構(gòu)成報(bào)文的ASCII字符都是十六進(jìn)制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍,但ASCII數(shù)據(jù)的譯瑪和處理更為容易一些,此外,用RTU模式時(shí)報(bào)文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送,用ASCII模式,字符之間可產(chǎn)生長達(dá)1s的間隔,以適應(yīng)速度較快的機(jī)器。
（2）ModBus的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式
CRC-16（循環(huán)冗余錯(cuò)誤校驗(yàn)）
CRC-16錯(cuò)誤校驗(yàn)程序如下：
報(bào)文（此處只涉及數(shù)據(jù)位,不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗(yàn)位）被看作是一個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制,其最高有效位（MSB）首選發(fā)送。報(bào)文先與X↑16相乘（左移16位）,然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除,X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進(jìn)制數(shù)11000000000000101。整數(shù)商位忽略不記,16位余數(shù)加入該報(bào)文（MSB先發(fā)送）,成為2個(gè)CRC校驗(yàn)字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化,以免所有的零成為一條報(bào)文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報(bào)文,若無錯(cuò)誤,到接收設(shè)備后再被同一多項(xiàng)式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除,會得到一個(gè)零余數(shù)（接收設(shè)備核驗(yàn)這個(gè)CRC字節(jié),并將其與被傳送的CRC比較）。全部運(yùn)算以2為模（無進(jìn)位）。
習(xí)慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備會首選送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情況下,發(fā)送首位應(yīng)是被除數(shù)的最高有效位MSB。由于在運(yùn)算中不用進(jìn)位,為便于操作起見,計(jì)算CRC時(shí)設(shè)MSB在最右位。生成多項(xiàng)式的位序也必須反過來,以保持一致。多項(xiàng)式的MSB略去不記,因其只對商有影響而不影響余數(shù)。
生成CRC-16校驗(yàn)字節(jié)的步驟如下：
①裝如一個(gè)16位寄存器,所有數(shù)位均為1。
②該16位寄存器的高位字節(jié)與開始8位字節(jié)進(jìn)行“異或”運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果放入這個(gè)16位寄存器。
③把這個(gè)16寄存器向右移一位。
④若向右（標(biāo)記位）移出的數(shù)位是1,則生成多項(xiàng)式1010000000000001和這個(gè)寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算;若向右移出的數(shù)位是0,則返回③。
⑤重復(fù)③和④,直至移出8位。
⑥另外8位與該十六位寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算。
⑦重復(fù)③~⑥,直至該報(bào)文所有字節(jié)均與16位寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算,并移位8次。
⑧這個(gè)16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯(cuò)誤校驗(yàn),被加到報(bào)文的最高有效位。 另外,在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗(yàn)手段,而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種,他們是使用CRC16多項(xiàng)式X↑16+X↑15+X↑2+1,單首次裝入的16位寄存器為0000;使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1,首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。 LRC（縱向冗余錯(cuò)誤校驗(yàn)） LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)用于ASCII模式。這個(gè)錯(cuò)誤校驗(yàn)是一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù),可作為2個(gè)ASCII十六進(jìn)制字節(jié)傳送。把十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制,加上無循環(huán)進(jìn)位的二進(jìn)制字符和二進(jìn)制補(bǔ)碼結(jié)果生成LRC錯(cuò)誤校驗(yàn)（參見圖）。這個(gè)LRC在接收設(shè)備進(jìn)行核驗(yàn),并與被傳送的LRC進(jìn)行比較,冒號（：）、回車符號（CR）、換行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六進(jìn)制字符在運(yùn)算時(shí)忽略不計(jì)。
