帶你輕松了解Modbus協(xié)議

更新時(shí)間：2021年11月03日 11:30:22 作者：被遺忘的涼白開

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Modbus協(xié)議的相關(guān)資料,此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)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,需要的朋友可以參考下

1、Modbus是什么

基本上，Modbus 是一種用于設(shè)備之間通信的應(yīng)用層協(xié)議主要用于交換自動(dòng)化領(lǐng)域的典型數(shù)據(jù)。

在這個(gè)級(jí)別上，Modbus 是一種無狀態(tài)的客戶端-服務(wù)器協(xié)議（例如，很像 HTTP），基于事務(wù)，它由請(qǐng)求（由客戶端發(fā)出）和響應(yīng)（由服務(wù)器發(fā)出）組成。在通常應(yīng)用該協(xié)議的領(lǐng)域中，存在一個(gè)概念，即使用共享信號(hào)電纜的網(wǎng)絡(luò)上控制較低級(jí)別通信行為的可能模式之一：主從。為了防止混淆，以下有向關(guān)系根據(jù)客戶端-服務(wù)器范式描述了主從：

Master

主站對(duì)應(yīng) ----> 客戶端

Slave

從站對(duì)應(yīng)----->服務(wù)端

2、Modbus協(xié)議解析

無狀態(tài)通信基于一個(gè)簡(jiǎn)單的包，稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU)。協(xié)議規(guī)范定義了三種類型的 PDU：

請(qǐng)求 PDU，包括：

指定功能的代碼（功能代碼，1 字節(jié)）
和功能特定數(shù)據(jù)（功能數(shù)據(jù)，可變字節(jié)數(shù)）

響應(yīng) PDU，包括：

請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的功能碼（Function Code，1字節(jié)）
和響應(yīng)特定數(shù)據(jù)（響應(yīng)數(shù)據(jù)，可變字節(jié)數(shù)）

異常響應(yīng) PDU，包括：

請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的功能碼+0x80（128），（錯(cuò)誤碼，1字節(jié)）
以及指定異常的代碼（異常代碼，1 字節(jié)）

2.1、Modbus功能

每個(gè)功能都分配了一個(gè)特定的功能代碼。它們的范圍是 1-127（十進(jìn)制），因?yàn)?29（即 1+128）- 255（即 127+128）代表錯(cuò)誤代碼的范圍。

功能碼是協(xié)議的一部分，功能碼就分為以下三類，一個(gè)是協(xié)議里規(guī)定好的功能，用戶也可以自定義功能

Public

保證是唯一的，并指定公開記錄的明確定義的功能。這些由社區(qū)驗(yàn)證并且存在一致性測(cè)試。

讀離散輸入
讀寫線圈
讀輸入寄存器
讀寫保持寄存器

User-Defined

可用于用戶定義的函數(shù)，因此它們的代碼可能不是唯一的。該規(guī)范為用戶定義的函數(shù)定義了代碼范圍 65-72 和 100-110。

保留

這些目前被一些公司用于遺留產(chǎn)品，不能公開使用

函數(shù)的文檔包括：

函數(shù)的描述（即它的用途）、它的參數(shù)和返回值（包括可能的異常）。
分配的功能代碼
請(qǐng)求 PDU
響應(yīng) PDU
異常響應(yīng)PDU

2.2、Modbus數(shù)據(jù)模型

Modbus的功能就是基于這些數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)的

離散輸入

·類型

一位

·使用權(quán)

只讀

·視覺的

離散輸出（線圈）

·類型

一位

·使用權(quán)

讀寫

·視覺的

輸入寄存器

·類型

16 位字

·使用權(quán)

只讀

·視覺的

保持寄存器（Register）

·類型

16 位字

·使用權(quán)

讀寫

·視覺的

3、Modbus實(shí)現(xiàn)

3.1、串行Modbus實(shí)現(xiàn)

Modbus 以異步串行網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)形式開始了它的生命。應(yīng)用層協(xié)議直接在串行接口和串行通信標(biāo)準(zhǔn)之上運(yùn)行。最常見的（通過電線）是：

RS232 (EIA232) ：

參見RS232 @ 維基百科

RS422：

請(qǐng)參閱EIA422 @ 維基百科

RS485：

參見EIA 485 @ 維基百科**

RS232用于短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，EIA422同樣適用，它是RS232在工業(yè)環(huán)境下的雙向擴(kuò)展，也支持更遠(yuǎn)的距離。

EIA485 可用于多點(diǎn)通信（即多個(gè)設(shè)備連接到同一條信號(hào)電纜），采用主從模式（一個(gè)主站和 n 個(gè)固定地址從站）。

圖 4 顯示了可能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

為了啟用此設(shè)置的實(shí)際通信，該實(shí)現(xiàn)使用附加字段擴(kuò)展了 PDU，更好的說法是，它將 PDU 包裝到一個(gè)帶有標(biāo)頭和錯(cuò)誤校驗(yàn)和的包中（參見圖 5）。結(jié)果包由協(xié)議規(guī)范定義為應(yīng)用程序數(shù)據(jù)單元 (ADU)，其最大包大小為 256 字節(jié)。

筆記

256 字節(jié)的最大包大小限制適用于所有現(xiàn)有的 Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)（傳統(tǒng)）！

頭部由地址字段（1 個(gè)字節(jié)）組成，尾部是整個(gè)包的錯(cuò)誤校驗(yàn)和，包括地址字段（即頭部）。為了傳輸，Modbus 消息（即 ADU）被放入一個(gè)具有已知開始和結(jié)束點(diǎn)的幀中，從而允許檢測(cè)消息的開始和結(jié)束，從而檢測(cè)部分消息。存在兩種傳輸模式，它們的編碼、成幀和校驗(yàn)和有所不同：

1、ASCII碼

幀被編碼為每個(gè)字節(jié)兩個(gè) ASCII 字符，代表字節(jié)的十六進(jìn)制表示法（即字符 0-9、A-F）。錯(cuò)誤校驗(yàn)和由縱向冗余校驗(yàn)（LRC；1 字節(jié)）表示，消息以冒號(hào)（':'，0x3A）開頭，以回車符-換行符（“CRLF”，0x0D0A）結(jié)束。字符之間可能會(huì)出現(xiàn) 1 秒的停頓。

2、RTU

幀以二進(jìn)制傳輸以實(shí)現(xiàn)更高的密度。錯(cuò)誤校驗(yàn)和由循環(huán)冗余校驗(yàn)（16 位 CRC；2 字節(jié)）表示，消息以至少 3.5 個(gè)字符時(shí)間的靜默間隔開始和結(jié)束。這最容易實(shí)現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)上正在使用的波特率的字符時(shí)間的倍數(shù)。兩個(gè)字節(jié)之間可能發(fā)生的最大暫停為 1.5 個(gè)字符時(shí)間。

jamod 旨在支持兩種傳輸模式，使用基于 javax.comm API 的實(shí)現(xiàn)。

警告

RTU 實(shí)現(xiàn)僅支持 Master 端。它按照最大努力原則工作，這意味著它可能無法在低延遲實(shí)時(shí)環(huán)境中以可靠的方式工作。

確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)基于其他串行堆棧實(shí)現(xiàn)（即 Java Comm API 實(shí)現(xiàn)的替代品）的串行傳輸，例如SerialPort ( www.sc-systems.com/products/se… ) . 根據(jù)產(chǎn)品信息，它支持大約20個(gè)平臺(tái)，并已成功用于在Java中實(shí)現(xiàn)兩種串行傳輸模式（僅限Master，參見Field Talk/Java，F(xiàn)ocus Engineering的商業(yè)Master協(xié)議包）。

3.2、基于 IP 的 Modbus 實(shí)現(xiàn)

基于 TCP/IP 的 Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn) (Modbus/TCP) 最近已作為 RFC 草案提交給 IETF。它使用 TCP/IP 堆棧進(jìn)行通信（注冊(cè)端口為 502）并使用 IP 特定報(bào)頭擴(kuò)展 PDU（參見圖 6）。

可能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不受規(guī)范的約束；可以建立多主系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)雙向通信（即同時(shí)有主從節(jié)點(diǎn)）。但是，用戶應(yīng)該清楚地意識(shí)到主/從模式的偏差會(huì)產(chǎn)生影響。

IP 特定報(bào)頭（在規(guī)范中稱為 MBAP）長(zhǎng) 7 個(gè)字節(jié)，由以下字段組成：

用于交易配對(duì)的調(diào)用標(biāo)識(shí)（2 個(gè)字節(jié)）；以前稱為交易標(biāo)識(shí)符
Modbus的協(xié)議標(biāo)識(shí)符（2個(gè)字節(jié)），是0用于Modbus默認(rèn); 為將來的擴(kuò)展保留
報(bào)文長(zhǎng)度（2個(gè)字節(jié)），所有后面字節(jié)的字節(jié)計(jì)數(shù)
用于標(biāo)識(shí)位于非 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程單元的單元標(biāo)識(shí)符（1 個(gè)字節(jié)）