Modbus协议在串行链路上的实现

目录

1、串行链路通信简介

2、串行链路通信协议原理

3、串行链路通信帧描述

4、RTU、ASCII串行传输模式

4.1、RTU传输模式

4.2、ASCII传输模式

1、串行链路通信简介

Modbus协议标准定义了 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。它还将串行链路上的协议标准化，以便在一个主站和一个或多 个从站之间交换 Modbus 请求。 本博文的目的是表述串行链路上的 Modbus 协议，实现设备之间的互通。

Modbus 串行链路协议是一个主/从协议，该协议位于 OSI 模型的第二层，主/从协议系统：有一个向某个“子”节点发出显式命令并处理响应的节点(主节点)。典型的子节点在没有收到主节点的请求时并不主动发送数据，也不与其它子节点通信。Modbus 协议和 ISO/OSI 模型如下图所示：

在物理层，Modbus 串行链路系统可以使用不同的硬件物理接口(RS485、RS232)。最常用的是TIA/EIA-485 (RS485) 两线制接口。作为附加的选项，也可以实现 RS485 四线制接口。当只需要短距离的点到点通信时，TIA/EIA-232-E (RS232) 串行接口也可以使用。

2、串行链路通信协议原理

Modbus串行链路协议是一个主/从协议。 在同一时刻，只有一个主节点连接于总线，一个或多个子节点 (最大编号为 247 ) 连接于同一个串行总线。Modbus 通信总是由主节点发起，子节点在没 有收到来自主节点的请求时，从不会发送数据。子节点之间从不会互相通信。主节点在同一时刻只会发起一个 Modbus 事务处理。

主节点有两种模式对子节点发出 Modbus 请求，一种是单播模式，另一种是广播模式。

单播模式主节点以特定地址访问某个子节点，子节点接到并处理完请求后，子节点向主节点返回一个报文(一个 '应答')。 在这种模式， 一个 Modbus 事务处理包含 2 个报文： 一个来自主节点的请求， 一个来自子节点的应答。 每个子节点必须有唯一的地址 (1 到 247)，这样才能区别于其它节点被独立的寻址。如下图所示：

广播模式主节点向所有的子节点发送请求，对于主节点广播的请求没有应答返回。，广播请求一般用于写命令，所有设备必须接受广播模式的写功能，地址 0 是专门用于表示广播数据的。如下图所示：

Modbus寻址空间有 256 个不同地址，地址 0 保留为广播地址， 所有的子节点必须识别广播地址。 Modbus主节点没有地址， 只有子节点必须有一个地址。 该地址必须在 Modbus 串行总线上唯一。地址规则如下所示：

3、串行链路通信帧描述

串行链路上的 Modbus结构必须符合通用Modbus帧协议要求，具体如下所示：

具体解析如下所示：

• 地址域：在 Modbus串行链路，地址域只含有子节点地址。合法的子节点地址为十进制 0 – 247。 每个子设备被赋予 1 – 247 范围中的地址。主节点通过将子节点的地址放到报文的地址域对子节点寻址。当子节点返回应答时， 它将自己的地 址放到应答报文的地址域以让主节点知道哪个子节点在回答；
• 功能码：功能码指明服务器要执行的动作。功能码后面可跟有表示含有请求和响应参数的数据域；
• 数据：收、发数据信息；
• 校验：错误检验域是对报文内容执行 "冗余校验" 的计算结果，通常用CRC或者LRC校验，根据不同的传输模式 (RTU or ASCII)使用两种不同的计算方法。

4、RTU、ASCII串行传输模式

Modbus串行链路传输数据有两种模式，RTU 模式和 ASCII模式，定义了报文域的位内容在线路上串行的传送，确定了信息如何打包为报文和解码，Modbus上所有设备的传输模式 (和串行口参数) 必须相同方可实现正常通信。

4.1、RTU传输模式

当设备使用 RTU (Remote Terminal Unit) 模式在 Modbus 串行链路通信， 报文中每个 8 位字节含有两个 4 位十六进制字符。这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比 ASCII 模式有更高的吞吐率，每个报文必须以连续的字符流传送。

RTU 模式每个字节 ( 11 位 ) 的格式如下所示：

编码系统: 8–位二进制

报文中每个8位字节含有两个 4 位十六进制字符(0–9， A–F)

Bits per Byte:  1 起始位
                8 数据位， 首先发送最低有效位
                1 位作为奇偶校验
                1 停止位

为了保证与其它产品的最大兼容性，默认RTU校验模式必须为偶校验，每个字符或字节均从左到右顺序发送，由发送设备将 Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可以在报文的开始接收 新帧，并且知道何时报文结束。不完整的报文必须能够被检测到而错误标志必须作为结果被设置。 在 RTU 模式，报文帧由时长至少为 3.5 个字符时间的空闲间隔区分。在后续的部分，这个时间区间被称作 t3.5。RTC报文帧如下所示：

整个报文帧必须以连续的字符流发送，如果两个字符之间的空闲间隔大于 1.5 个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。

4.2、ASCII传输模式

当 Modbus 串行链路的设备被配置为使用 ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 模式通信时， 报文中的每个 8 位子节以两个 ASCII 字符发送，当通信链路或者设备无法符合 RTU 模式的定时管理时使用该模式，只不过由于一个子节需要两个字符，此模式比 RTU 效率低。例 : 数值 0X5B 会被编码为两个字符 : 0x35 和 0x42 ( ASCII 编码 0x35 ="5"， 0x42 ="B" )。

ASCII 模式每个字节 ( 10 位 ) 的格式如下所示：

编码系统: 十六进制，ASCII 字符 0-9， A-F

报文中每个 ASCII 字符含有 1 个十六进制字符

Bits per Byte:  1 起始位
                7 数据位， 首先发送最低有效位
                1 位作为奇偶校验
                1 停止位

为了保证与其它产品的最大兼容性，默认ASCII校验模式必须为偶校验，每个字符或字节均从左到右顺序发送，由发送设备将 Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可以在报文的开始 接收新帧，并且知道何时报文结束。不完整的报文必须能够被检测到而错误标志必须作为结果被设置。报文帧的地址域含有两个字符，在 ASCII 模式， 报文用特殊的字符区分帧起始和帧结束。一个报文必须以一个‘冒号’ ( : ) (ASCII 十六进制 3A )起始，以 ‘回车-换行’ (CR LF) 对 (ASCII 十六进制 0D 和 0A) 结束。对于所有的域，允许传送的字符为十六进制 0–9， A–F (ASCII 编码)。 设备连续的监视总线 上的 ‘冒号’ 字符。 当收到这个字符后，每个设备解码后续的字符一直到帧结束。 报文中字符间的时间间隔可以达一秒。如果有更大的间隔，则接受设备认为发生了错误。ASCII 报文帧如下图所示：