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值得收藏 Modbus RTU 协议详解

2023-10-30

值得收藏！Modbus RTU 协议详解~

Modbus是什么？

         ~~~~~~~~         Modbus是一个总线协议，属于应用层的一层协议。应用层面的协议还有TCP、UDP。因modbus其协议流程简单明了，易于组网被广泛使用，目前应该是在工业上使用的最多的，像是与PLC通信。
         ~~~~~~~~         嵌入式领域最常见的用法就是硬件电路采用RS485，在此硬件基础上使用modbus。

Modbus分类

Modbus协议分为三种，包括：

  • Modbus-RTU
  • Modbus-ASCII
  • Modbus-TCP

最常见使用的就是RTU了，所以本篇的重点放在讲解RTU上。

Modbus通讯过程

         ~~~~~~~~         Modbus是主从方式通信，通信由主机发起，一问一答式，从机无法主动向主机发送数据。通信方式类似于IIC、SPI协议。

         ~~~~~~~~         modbus数据帧在传输过程中，两个字节之间的相邻时间不得大于3.5个字符的时间，否则视为一帧数据传输结束。

         ~~~~~~~~         以：波特率9600、1bit起始位、8bit数据位、1bit停止位，1bit校验位、无流控为例，那么1s内就可以传输(1+8+1+1)/9600*3.5*1000≈4ms，所以，如果从机在接收过程中，超过了4ms没有收到数据，则认为本帧数据接收结束；同样的，在发送完数据后也要延时等待4ms的延时时间。

《GB/T 19582.2》中规定：
         ~~~~~~~~         
         ~~~~~~~~         RTU模式中每个字节为11位，格式为：8bit数据位(先发低位)、1bit起始位、1bit奇偶校验、1bit停止位
         ~~~~~~~~         
         ~~~~~~~~         要求使用偶校验。也可以使用其他模式（奇校验、无校验）。为了保证与其他产品的最大兼容性，建议还支持无校验模式。默认校验模式必须是偶校验。
         ~~~~~~~~         
         ~~~~~~~~         注：使用无校验时要求2个停止位，以此来满足11bit的数据。
         ~~~~~~~~         
串行的传输字符的方法为：
发送每个字符或字节的顺序是从左到右，如下图：

Modbus-RTU协议数据帧结构

地址码 功能码 数据区 CRC校验
1 Bytes 1Byte N Bytes 2Byte
  • 地址码：1个字节的从机地址码，=0：广播地址，=1-247：从机地址，=248-255：保留
  • 功能码：常用的就是01、02、03、04、05、06、15、16，具体描述见下图
  • 数据区：数据区包含这么几部分：起始地址、数量、数据，这三项是大端模式
  • CRC校验：两个字节，小端模式，校验的数据范围为：地址码+功能码+数据区

下面将实际将常用的6个功能码进行实际的演示示例。

功能码01：读线圈状态

示例1：读1个线圈状态，线圈地址为0：

主机发送：01 01 00 00 00 01 FD CA
从机返回：01 01 01 00 51 88

解析主机发送的数据：

01 01 00 00 00 01 FD CA
从机地址 功能码 要读的线圈起始地址(大端模式) 要读取的线圈数量(大端模式) CRC校验码(小端模式)

解析从机返回的数据，只说数据区：

  • 01：后跟的字节数
  • 00：线圈状态

示例2：读从线圈0开始的10个线圈状态：

主机发送：01 01 00 00 00 0A BC 0D
从机返回：01 01 02 00 00 b9 fc

解析从机返回的数据，只说数据区：

  • 02：后跟的字节数
  • 00 00：一个比特代表一个线圈的状态

功能码02：读离散量输入

协议格式同功能码01。

功能码03：读保持寄存器

示例1：读1个保持寄存器，保持寄存器地址为0：

主机发送：01 03 00 00 00 01 84 0A
从机接收：01 03 02 00 00 b8 44

解析主机发送的数据：

01 03 00 00 00 01 84 0A
从机地址 功能码 要读取的保持寄存器起始地址(大端模式) 要读取的保持寄存器数量(大端模式) CRC校验码(小端模式)

解析主机返回的数据，只说数据区：

  • 02：后跟的字节数
  • 00 00：读取到的保持寄存器的值，大端模式

示例2：读10个保持寄存器，保持寄存器起始地址为0：

主机发送：01 03 00 00 00 0A C5 CD
从机返回：01 03 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 a3 67

解析主机返回的数据（只说数据区）：

  • 14：后跟的字节数
  • 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00：读取到的保持寄存器的值，大端模式，一个寄存器值用2字节表示。

功能码04：读输入寄存器

协议格式同功能码03。

功能码05：写单个线圈

示例1：写线圈0为0：

主机发送：01 05 00 00 00 00 CD CA
从机返回：01 05 00 00 00 00 cd ca

解析主机发送的数据：

01 05 00 00 00 00 CD CA
从机地址 功能码 要写的线圈地址(大端模式) 要写的线圈状态(大端模式) CRC校验码(小端模式)

主机发送什么，从机原样返回。

示例2：写线圈0为1：

主机发送：01 05 00 00 FF 00 8C 3A
从机返回：01 05 00 00 ff 00 8c 3a

解析主机发送的数据，只说数据区：

  • 00 00：要写的线圈地址，大端模式
  • FF 00：要写的线圈状态，FF 00表示将线圈置1

功能码06：写单个寄存器

示例1：写寄存器0为0：

主机发送：01 06 00 00 00 00 89 CA
从机返回；01 06 00 00 00 00 89 CA

解析主机发送的数据：

01 06 00 00 00 00 89 CA
从机地址 功能码 要写的寄存器地址(大端模式) 要写的寄存器(大端模式) CRC校验码(小端模式)

主机发送什么，从机原样返回。

示例2：写寄存器0为1：

主机发送：01 06 00 00 00 01 48 0A
从机返回：01 06 00 00 00 01 48 0a

功能码15：写多个线圈

写从线圈编号0开始的10个线圈：0-3线圈写1，4-7线圈写0，8-9线圈写1（0F 03）：
主机发送：01 0F 00 00 00 0A 02 0F 03 A0 C9
从机返回：01 0f 00 00 00 0a d5 cc

解析主机发送的数据：

01 0F 00 00 00 0A 02 0F 03 A0 C9
从机地址 功能码 要写的线圈起始地址(大端模式) 要写的线圈数量(大端模式) 后跟的字节数 待写入的线圈状态，小端模式，换成比特由低位到高位就是：1111 0000 11XX XXXX，X表示未用到，一个比特代表一个线圈的状态 CRC校验码(小端模式)

解析从机返回的数据，只说数据区：

  • 00 00：已写的线圈起始地址，大端模式
  • 00 0A：已写的线圈数量，大端模式

功能码16：写多个寄存器

写寄存器编号0开始的10个寄存器：0-3寄存器写1，4-7寄存器写0，8-9寄存器写1：
主机发送：01 10 00 00 00 0A 14 00 01 00 01 00 01 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 01 4F 13
从机返回：01 10 00 00 00 0a 40 0e

解析主机发送的数据：

01 10 00 00 00 0A 14 00 01 00 01 00 01 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 01 4F 13
从机地址 功能码 要写的寄存器起始地址(大端模式) 要写的寄存器数量(大端模式) 后跟的字节数 待写入的寄存器值，大端模式，两个字节代表一个寄存器的值 CRC校验码(小端模式)

解析从机返回的数据，只说数据区：

  • 00 00：已写的寄存器起始地址，大端模式
  • 00 0A：已写的寄存器数量，大端模式

附录：Modbus CRC校验函数C语言实现

USHORT usMBCRC16( UCHAR * pucFrame, USHORT usLen )
{
    static const UCHAR aucCRCHi[] =
    {
        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
    };

    static const UCHAR aucCRCLo[] =
    {
        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
    };
    UCHAR           ucCRCHi = 0xFF;
    UCHAR           ucCRCLo = 0xFF;
    int             iIndex;

    while( usLen-- )
    {
        iIndex = ucCRCLo ^ *( pucFrame++ );
        ucCRCLo = ( UCHAR )( ucCRCHi ^ aucCRCHi[iIndex] );
        ucCRCHi = aucCRCLo[iIndex];
    }
    return ( USHORT )( ucCRCHi << 8 | ucCRCLo );
}

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ends…完！

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