Modbus

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本文基于Modbus官方文档进行学习。

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在众多学习资料中往往会提到：

Modbus定义了Modbus ASCII、Modbus RTU、Modbus TCP/IP三种基本协议。

但这种看法是不准确的、不本质的。
Modbus确实在不同的物理层和链路层上的实现不同，但是这三种情况在应用层的数据封装上完全一致。其主要区别在于：

  • Modbus RTU以逻辑二进制进行数据传输，直接传输Modbus对应的二进制数据包。其主要在串行通信中使用。
  • Modbus TCP由于在TCP/IP网络上运行，需要处理网络相关的问题，如会话的建立和维持，这由MBAP头部分处理。
  • Modbus ASCII使用ASCII字符来编码二进制数据，每个数据字节被分割为两个ASCII字符。例如使用ASCII字符 '0' 和 'F' 编码二进制 0x0F 。

此外，协议规定Modbus协议是一种请求/应答协议，也就意味着无论是哪种Modbus，从站均不能主动向主站发送信息。

此外，主站也可以被叫作Server，从站被叫作Client。

Modbus当前支持的硬件协议：

  • TCP/IP协议
  • 异步串口协议：
    • RS-232
    • RS-442
    • RS-485
    • 光纤
    • 无线电
  • HDLC(Modbus Plus)

Modbus官方缩写如下表所示。

缩写
含义
ADU Application Data Unit
HDLC High level Data Link Control
HMI Human Machine Interface
IETF Internet Engineering Task Force
I/O Input/Output
IP Internet Protocol
MAC Medium Access Control
MB MODBUS Protocol
MBAP MODBUS Application Protocol
PDU Protocol Data Unit
PLC Programmable Logic Controller
TCP Transport Control Protocol

Modbus提供了一种简单的，可以跨物理层/数据链路层/网络层的通信协议：
chrome_Ylc5HPXvpA.png

3.1 Modbus基本报文结构

Modbus的数据包均遵从如下基本格式：

chrome_1AsQ0QQGM7.png

即：

地址域 功能码 数据域 CRC差错校验
1Byte 1Byte 长度不定，也可能不存在 2Byte

在上图/上表中：

  • ${地址域}${功能码}${数据}${差错校验} 部分被称作ADU(应用数据单元)。
  • ${功能码}${数据} 部分被称作PDU(协议数据单元)。

在通信模型上：

  • Modbus可以分为主站和从站，在一条链路上只能有1个主站，但是可以有多个从站。
  • 与I2C类似的是，Modbus中也有从站地址和寄存器地址的概念。其中，从站地址8位、寄存器地址16位。
  • 与C/S模型类似的是，Modbus在任何情况下从站都不会主动发送数据，仅当主站请求时，从站才可以发。
  • Modbus有广播和单拨两种模式：
    • 在广播模式下，所有从站必须执行主站命令而无需应答返回。
    • 在单播模式下，子节点必须做出应答，只有应答完成后主站才可以进行下一个事务处理。
    • 和IP协议类似，广播和单播模式通过地址进行区分。

在数据结构上，Modbus定义了如下四种基础的数据结构：

数据结构
 数据类型 读写类型
附注
离散输入 单bit数据 只读 通常表示 TRUE/FALSE 、 ON/OFF 等
线圈 单bit数据 可读可写
输入寄存器 16bit的字 只读
保持寄存器 16bit的字 可读可写

为了方便叙述，将上述的16bit称之为 "字" ，即 "word" 。但是要注意并不是所有的CPU平台的 "word" 长度均为16bit。

在报文长度上，由于第一版Modbus的实现限制了ADU和PDU的长度(该版本限制ADU最长256字节)，因此：

  • RS232、RS485的Modbus中：
    • PDU最长为253字节
    • ADU最长为256字节：
      • Addr=1Byte
      • PDU=253Byte
      • CRC=2Byte
  • TCP中的Modbus中：
    - PDU最长为253字节
    - ADU最长为260字节：
    - MBAP=7Byte
    - Addr=1Byte
    - PDU=253Byte
    - CRC=2Byte
    该设计保证了在任何链路中的数据协议单元长度均为253字节，从而实现了跨物理层/数据链路层/网络层的通信协议。

Modbus在数据编码时采用大端模式。

3.1.1 地址域

地址域 功能码 数据域 CRC差错校验
1Byte 1Byte 长度不定，也可能不存在 2Byte

在上述的数据包基本格式中：

  • 地址域共计1Byte，被划分为：
    • 地址 被划分为广播地址
    • 地址 被划分为子节点单独地址
    • 地址 被用作保留地址
      因此：
    • 从机地址范围被定义在
    • 保留区可以用于设置特定地址段的广播指令等

3.1.2 功能码及其对应报文结构

在Modbus中的通信过程中：

  • 如果从站的响应没有错误，则从站返回报文的功能码与主站的请求报文中一致。
  • 如果从站的响应发生错误，则从站返回报文的功能码为异常功能码(定义为 请求功能码+0x80 )，具体可见异常响应章节。
地址域 功能码 数据域 CRC差错校验
1Byte 1Byte 长度不定，也可能不存在 2Byte

在上述的数据包基本格式中：

  • 功能码固定为1Byte，其中：
    • 功能码 无效
    • 功能码 作为普通功能码使用
    • 功能码 用于异常响应

Modbus内置的功能码如下：

功能
 功能码 操作类型
操作数量
读线圈寄存器 01 位 单个或多个
读离散线圈寄存器 02 位 单个或多个
读保持寄存器 03 字 单个或多个
读输入寄存器 04 字 单个或多个
写单个线圈寄存器 05 位 单个
写单个保持寄存器 06 字 单个
读异常状态 07
诊断 08
读通用事件计数器 0B
获取通用事件日志 0C
写多个线圈寄存器 0F 位 多个
写多个保持寄存器 10 字 多个
回报从站地址 11
读文件记录 14
写文件记录 15
使用AND/OR操作寄存器 16
读写多个寄存器 17
读FIFO队列 18
2B
2B/0D
2B/0E

注：

  • 上述表格中常用功能会被标红
3.1.2.1 01H 读线圈寄存器(bit)
3.1.2.1.1 请求报文结构

正如基本规定中所述：

  • Modbus中设备地址占8位、寄存器地址占16位。
  • 01H 读线圈寄存器可以读多个寄存器。
    则有读线圈寄存器的数据包格式为：
格式： 地址域 功能码 起始地址
高字节		 起始地址
低字节		 读取数量
高字节		 读取数量
低字节		 CRC校验
Demo： 0x01 0x01 0x02 0xC4 0x01 0x05 2Byte

则上述Demo的含义为：

  • 读取从站地址为 0x01 的设备上的 0x02C4 地址开始的连续 0x0105 个寄存器
3.1.2.1.2 应答报文结构
3.1.2.2 02H 读离散线圈寄存器(bit)

3.2 异常响应

3.3 Modbus On TCP

Modbus TCP默认端口为502端口。