Modbus通信協(xié)議
一、Modbus 協(xié)議簡介
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，此協(xié)議決定了每個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、路由路徑及錯誤檢測的方法。
1、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。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)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。
2、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。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(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。
3、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。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(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)。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。
二、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、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個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)。
ASCII模式
:
地址
功能代碼
數(shù)據(jù)數(shù)量
數(shù)據(jù)1
...
數(shù)據(jù)n
LRC高字節(jié)
LRC低字節(jié)
回車
換行
RTU模式
地址
功能代碼
數(shù)據(jù)數(shù)量
數(shù)據(jù)1
...
數(shù)據(jù)n
CRC高字節(jié)
CRC低字節(jié)
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蔚拿恳晃唬约皼Q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8Bit字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯誤。
代碼系統(tǒng)
· 十六進(jìn)制，ASCII字符0...9，A...F
· 消息中的每個ASCII字符都是一個十六進(jìn)制字符組成
每個字節(jié)的位
· 1個起始位
· 7個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送
· 1個奇偶校驗位，無校驗則無
· 1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）
錯誤檢測域 LRC(縱向冗長檢測)
2、RTU模式
當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。
代碼系統(tǒng)
· 8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F
· 消息中的每個8位域都是一個兩個十六進(jìn)制字符組成
每個字節(jié)的位
· 1個起始位
· 8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送
· 1個奇偶校驗位，無校驗則無
· 1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）
錯誤檢測域 CRC(循環(huán)冗長檢測)
三、Modbus消息幀
兩種傳輸模式中（ASCII或RTU），傳輸設(shè)備以將Modbus消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時信息已完成。部分的消息也能偵測到并且錯誤能設(shè)置為返回結(jié)果。
1、ASCII幀
使用ASCII模式，消息以冒號（:）字符（ASCII碼 3AH）開始，以回車換行符結(jié)束（ASCII碼 0DH,0AH）。
其它域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備不斷偵測“:”字符，當(dāng)有一個冒號接收到時，每個設(shè)備都解碼下個域（地址域）來判斷是否發(fā)給自己的。
消息中字符間發(fā)送的時間間隔最長不能超過1秒，否則接收的設(shè)備將認(rèn)為傳輸錯誤。一個典型消息幀如下所示：
起始位
設(shè)備地址
功能代碼
數(shù)據(jù)
LRC校驗
結(jié)束符
1個字符
2個字符
2個字符
n個字符
2個字符
2個字符
圖2 ASCII消息幀
2、RTU幀
使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時間，這是最容易實現(xiàn)的(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。傳輸?shù)牡谝粋�域是設(shè)備地址。可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0...9,A...F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋�域（地址域）接收到，每個設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個新的消息可在此停頓后開始。
整個消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如下所示：
起始位
設(shè)備地址
功能代碼
數(shù)據(jù)
CRC校驗
結(jié)束符
T1-T2-T3-T4
8Bit
8Bit
n個8Bit
16Bit
T1-T2-T3-T4
圖3 RTU消息幀
3、地址域
消息幀的地址域包含兩個字符（ASCII）或8Bit（RTU）。可能的從設(shè)備地址是0...247 (十進(jìn)制)。單個設(shè)備的地址范圍是1...247。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個設(shè)備作出回應(yīng)。
地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識。當(dāng)Modbus協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。
4、如何處理功能域
消息幀中的功能代碼域包含了兩個字符（ASCII）或8Bits（RTU）。可能的代碼范圍是十進(jìn)制的1...255。當(dāng)然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應(yīng)用于某種控制器，還有些保留以備后用。
當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為。例如去讀取輸入的開關(guān)狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗在從設(shè)備中的程序等。
當(dāng)從設(shè)備回應(yīng)時，它使用功能代碼域來指示是正常回應(yīng)(無誤)還是有某種錯誤發(fā)生（稱作異議回應(yīng)）。對正常回應(yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對異議回應(yīng)，從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼，但最重要的位置為邏輯1。
例如：一從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼：0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制03H）
對正常回應(yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)同樣的功能代碼。對異議回應(yīng)，它返回： 1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制83H）
除功能代碼因異議錯誤作了修改外，從設(shè)備將一獨特的代碼放到回應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯誤。
主設(shè)備應(yīng)用程序得到異議的回應(yīng)后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設(shè)備的消息并報告給操作員。
5、數(shù)據(jù)域
數(shù)據(jù)域是由兩個十六進(jìn)制數(shù)集合構(gòu)成的，范圍00...FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，這可以是由一對ASCII字符組成或由一RTU字符組成。
從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的所為。這包括了象不連續(xù)的寄存器地址，要處理項的數(shù)目，域中實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。
例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼03），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。如果主設(shè)備寫一組從設(shè)備的寄存器（功能代碼10十六進(jìn)制），數(shù)據(jù)域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數(shù)量，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。
如果沒有錯誤發(fā)生，從從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請求的數(shù)據(jù)。如果有錯誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來判斷采取下一步行動。
在某種消息中數(shù)據(jù)域可以是不存在的（0長度）。例如，主設(shè)備要求從設(shè)備回應(yīng)通信事件記錄（功能代碼0B十六進(jìn)制），從設(shè)備不需任何附加的信息。
6、錯誤檢測域
標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)有兩種錯誤檢測方法。錯誤檢測域的內(nèi)容視所選的檢測方法而定。
ASCII 當(dāng)選用ASCII模式作字符幀，錯誤檢測域包含兩個ASCII字符。這是使用LRC（縱向冗長檢測）方法對消息內(nèi)容計算得出的，不包括開始的冒號符及回車換行符。LRC字符附加在回車換行符前面。
RTU 當(dāng)選用RTU模式作字符幀，錯誤檢測域包含一16Bits值(用兩個8位的字符來實現(xiàn))。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個字節(jié)。
7、字符的連續(xù)傳輸
當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位...最高有效位
使用ASCII字符幀時，位的序列是：
啟始位
1
2
3
4
5
6
7
奇偶位
停止位
有奇偶校驗
啟始位
1
2
3
4
5
6
7
停止位
停止位
無奇偶校驗
圖4. 位順序（ASCII）
使用RTU字符幀時，位的序列是：
有奇偶校驗
啟始位
1
2
3
4
5
6
7
8
奇偶位
停止位
啟始位
1
2
3
4
5
6
7
8
停止位
停止位
無奇偶校驗
圖4. 位順序（RTU）
四、錯誤檢測方法
標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測（LRC或CRC）應(yīng)用于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的，從設(shè)備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。
用戶要給主設(shè)備配置一預(yù)先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設(shè)備都能作為正常反應(yīng)。如果從設(shè)備測到一傳輸錯誤，消息將不會接收，也不會向主設(shè)備作出回應(yīng)。這樣超時事件將觸發(fā)主設(shè)備來處理錯誤。發(fā)往不存在的從設(shè)備的地址也會產(chǎn)生超時。
1、奇偶校驗
用戶可以配置控制器是奇或偶校驗，或無校驗。這將決定了每個字符中的奇偶校驗位是如何設(shè)置的。
如果指定了奇或偶校驗，“1”的位數(shù)將算到每個字符的位數(shù)中（ASCII模式7個數(shù)據(jù)位，RTU中8個數(shù)據(jù)位）。例如RTU字符幀中包含以下8個數(shù)據(jù)位： 1 1 0 0 0 1 0 1
整個“1”的數(shù)目是4個。如果便用了偶校驗，幀的奇偶校驗位將是0，便得整個“1”的個數(shù)仍是4個。如果便用了奇校驗，幀的奇偶校驗位將是1，便得整個“1”的個數(shù)是5個。
如果沒有指定奇偶校驗位，傳輸時就沒有校驗位，也不進(jìn)行校驗檢測。代替一附加的停止位填充至要傳輸?shù)淖址麕小?br />
2、LRC檢測
使用ASCII模式，消息包括了一基于LRC方法的錯誤檢測域。LRC域檢測了消息域中除開始的冒號及結(jié)束的回車換行號外的內(nèi)容。
LRC域是一個包含一個8位二進(jìn)制值的字節(jié)。LRC值由傳輸設(shè)備來計算并放到消息幀中，接收設(shè)備在接收消息的過程中計算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說明有錯誤。
LRC方法是將消息中的8Bit的字節(jié)連續(xù)累加，丟棄了進(jìn)位。
LRC簡單函數(shù)如下：
static unsigned char LRC(auchMsg,usDataLen)
unsigned char *auchMsg ; /* 要進(jìn)行計算的消息 */
unsigned short usDataLen ; /* LRC 要處理的字節(jié)的數(shù)量*/
{ unsigned char uchLRC = 0 ; /* LRC 字節(jié)初始化 */
while (usDataLen--) /* 傳送消息 */
uchLRC += *auchMsg++ ; /* 累加*/
return ((unsigned char)(-((char_uchLRC))) ;
}
3、CRC檢測
使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的錯誤檢測域。CRC域檢測了整個消息的內(nèi)容。
CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計算收到消息的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位均無效。
CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內(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，寄存器單獨和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當(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，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)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機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
功能碼
名稱
作用
01
讀取線圈狀態(tài)
取得一組邏輯線圈的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF)
02
讀取輸入狀態(tài)
取得一組開關(guān)輸入的當(dāng)前狀態(tài)（ON/OFF)
03
讀取保持寄存器
在一個或多個保持寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值
04
讀取輸入寄存器
在一個或多個輸入寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值
05
強置單線圈
強置一個邏輯線圈的通斷狀態(tài)
06
預(yù)置單寄存器
把具體二進(jìn)值裝入一個保持寄存器
07
讀取異常狀態(tài)
取得8個內(nèi)部線圈的通斷狀態(tài)，這8個線圈的地址由控制器決定，用戶邏輯可以將這些線圈定義，以說明從機狀態(tài)，短報文適宜于迅速讀取狀態(tài)
08
回送診斷校驗
把診斷校驗報文送從機，以對通信處理進(jìn)行評鑒
09
編程（只用于484）
使主機模擬編程器作用，修改PC從機邏輯
10
控詢（只用于484）
可使主機與一臺正在執(zhí)行長程序任務(wù)從機通信，探詢該從機是否已完成其操作任務(wù)，僅在含有功能碼9的報文發(fā)送后，本功能碼才發(fā)送
11
讀取事件計數(shù)
可使主機發(fā)出單詢問，并隨即判定操作是否成功，尤其是該命令或其他應(yīng)答產(chǎn)生通信錯誤時
12
讀取通信事件記錄
可是主機檢索每臺從機的ModBus事務(wù)處理通信事件記錄。如果某項事務(wù)處理完成，記錄會給出有關(guān)錯誤
13
編程（184/384 484 584）
可使主機模擬編程器功能修改PC從機邏輯
14
探詢（184/384 484 584）
可使主機與正在執(zhí)行任務(wù)的從機通信，定期控詢該從機是否已完成其程序操作，僅在含有功能13的報文發(fā)送后，本功能碼才得發(fā)送
15
強置多線圈
強置一串連續(xù)邏輯線圈的通斷
16
預(yù)置多寄存器
把具體的二進(jìn)制值裝入一串連續(xù)的保持寄存器
17
報告從機標(biāo)識
可使主機判斷編址從機的類型及該從機運行指示燈的狀態(tài)
18
（884和MICRO 84）
可使主機模擬編程功能，修改PC狀態(tài)邏輯
19
重置通信鏈路
發(fā)生非可修改錯誤后，是從機復(fù)位于已知狀態(tài)，可重置順序字節(jié)
20
讀取通用參數(shù)（584L）
顯示擴(kuò)展存儲器文件中的數(shù)據(jù)信息
21
寫入通用參數(shù)（584L）
把通用參數(shù)寫入擴(kuò)展存儲文件，或修改之
22～64
保留作擴(kuò)展功能備用
65～72
保留以備用戶功能所用
留作用戶功能的擴(kuò)展編碼
73～119
非法功能
120～127
保留
留作內(nèi)部作用
128～255
保留
用于異常應(yīng)答
ModBus網(wǎng)絡(luò)只是一個主機，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實際所支持的從機數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。表2是ModBus各功能碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。
表2 ModBus功能碼與數(shù)據(jù)類型對應(yīng)表
代碼
功能
數(shù)據(jù)類型
01
讀
位
02
讀
位
03
讀
整型、字符型、狀態(tài)字、浮點型
04
讀
整型、狀態(tài)字、浮點型
05
寫
位
06
寫
整型、字符型、狀態(tài)字、浮點型
08
N/A
重復(fù)“回路反饋”信息
15
寫
位
16
寫
整型、字符型、狀態(tài)字、浮點型
17
讀
字符型
（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PC通信的能力是同等的。選擇時應(yīng)視所用ModBus主機而定，每個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
特性
ASCII(7位）
RTU(8位）
編碼系統(tǒng)
十六進(jìn)制（使用ASCII可打印字符：0～9，A～F)
二進(jìn)制
每一個字符的位數(shù)
開始位
1位
1位
數(shù)據(jù)位（最低有效位第一位）
7位
8位
奇偶校驗（任選）
1位（此位用于奇偶校驗，無校應(yīng)則無該位）
1位（此位用于奇偶校驗，無校應(yīng)則無該位）
停止位
1或2位
1或2位
錯誤校驗
LRC（即縱向冗余校驗）
CRC(即循環(huán)冗余校驗）
ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortan）編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于機器語言編程的計算機和PC主機。
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模式時報文字符必須以連續(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)速度較快的機器。 表4給出了以RTU方式讀取整數(shù)據(jù)的例子
以RTU方式讀取整數(shù)據(jù)的例子
主機請求
地址
功能碼
第一個寄存器的高位地址
第一個寄存器的低位地址
寄存器的數(shù)量的高位
寄存器的數(shù)量的底位
錯誤校驗
01
03
00
38
00
01
XX
從機應(yīng)答
地址
功能碼
字節(jié)數(shù)
數(shù)據(jù)高字節(jié)
數(shù)據(jù)低字節(jié)
錯誤校驗
01
03
2
41
24
XX
十六進(jìn)制數(shù)4124表示的十進(jìn)制整數(shù)為16676，錯誤校驗值要根據(jù)傳輸方式而定。
（2）ModBus的數(shù)據(jù)校驗方式
CRC-16（循環(huán)冗余錯誤校驗）
CRC-16錯誤校驗程序如下：報文（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位）被看作是一個連續(xù)的二進(jìn)制，其最高有效位（MSB）首選發(fā)送。報文先與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)加入該報文（MSB先發(fā)送），成為2個CRC校驗字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設(shè)備后再被同一多項式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，會得到一個零余數(shù)（接收設(shè)備核驗這個CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運算以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。由于在運算中不用進(jìn)位，為便于操作起見，計算CRC時設(shè)MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數(shù)。
生成CRC-16校驗字節(jié)的步驟如下：
①裝如一個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”運算。運算結(jié)果放入這個16位寄存器。
③把這個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，則生成多項式1010000000000001和這個寄存器進(jìn)行“異或”運算；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”運算。
⑦重復(fù)③~⑥，直至該報文所有字節(jié)均與16位寄存器進(jìn)行“異或”運算，并移位8次。
⑧這個16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。
另外，在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗手段，而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式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（縱向冗余錯誤校驗）
LRC錯誤校驗用于ASCII模式。這個錯誤校驗是一個8位二進(jìn)制數(shù)，可作為2個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)制補碼結(jié)果生成LRC錯誤校驗（參見圖）。這個LRC在接收設(shè)備進(jìn)行核驗，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)制字符在運算時忽略不計。
表5 LRC生成范例－－讀取02號從機的前8個線圈
十六進(jìn)制
二進(jìn)制
地址
0
2
0000
0010
功能碼
0
1
0000
0001
起始地址高位
0
0
0000
0000
起始地址低位
0
0
0000
0000
單元數(shù)量
0
0
0000
0000
0
8
+
0000
1000
0000
1011
變成補碼
1111
0101
錯誤校驗
F
5
F
5
接受PC把所有收到的數(shù)據(jù)字節(jié)（包括最后的LRC）加在一起，8位應(yīng)全部為0（注意：和可能超過8位，應(yīng)略去最低位）
0000
0010
0000
0001
0000
0000
0000
0000
0000
0000
0000
1000
錯誤校驗
1111
0101
和
0000
0000
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
