協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議，首先從字面理解它包括Mod和Bus兩部分，首先它是一種bus，即總線協(xié)議，總線就意味著有主機，有從機，這些設(shè)備在同一條總線上。

Modbus支持單主機，多個從機，最多支持247個從機設(shè)備。關(guān)于Mod，因為這種協(xié)議最早被用在PLC控制器中，準確的說是Modicon公司的PLC控制器，這也是Modbus名稱的由來。后來Modicon被施耐德電器收購，Modbus協(xié)議廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制器、HMI和傳感器上，逐漸被其他廠商所接受，成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。

• 每種設(shè)備（PLC、HMI、控制面板、驅(qū)動程序、動作控制、輸入/輸出設(shè)備）都能使用 Modbus協(xié)議來啟動遠程操作。

• 在基于串行鏈路和以太 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的 Modbus 上可以進行相互通信。

• 一些網(wǎng)關(guān)允許在幾種使用 Modbus 協(xié)議的總線或網(wǎng)絡(luò)之間進行通信

術(shù)語說明

HDLC 高級數(shù)據(jù)鏈路控制
HMI 人機界面
IETF 因特網(wǎng)工程工作組
I/O 輸入/輸出設(shè)備
IP 互連網(wǎng)協(xié)議
MAC 介質(zhì)訪問控制
MB Modbus 協(xié)議
MBAP Modbus 協(xié)議

關(guān)于總線補充說明

總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束， 按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號。總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。在計算機系統(tǒng)中，各個部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計算機是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個功能部件的。

Modbus被廣泛使用主要原因

1. 標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權(quán)
2. Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。 　
3. Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

協(xié)議版本

Modbus 協(xié)議目前分別定義了基于串口()和以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議，其中串口(RS232，RS485，RS422，光纖，無線等)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分為 Modbus RTU 和 Modbus ASCII串行鏈路協(xié)議，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議一種 Modbus TCP/IP協(xié)議。

其中，Modbus RTU是一種緊湊的，采用二進制表示數(shù)據(jù)的方式，Modbus ASCII是一種人類可讀的，冗長的表示方式。

工作模式

Modbus 協(xié)議采用主從(Master/Salve)通信方式，TCP/IP傳輸模式下，主節(jié)點也叫客戶機，從節(jié)點也叫服務(wù)器。連接到總線上的所有主機節(jié)點中有且只有一個 Master 節(jié)點(主節(jié)點)，其余為 Slave 節(jié)點(從節(jié)點，可選地址為1~247，每個Slave節(jié)點的地址必須唯一)。

主從通信以 請求/應(yīng)答 為主，每次通訊都是主節(jié)點先發(fā)送請求（采用廣播模式、單播模式），從節(jié)點響應(yīng)指令，并按要求應(yīng)答，或者報告異常。當主節(jié)不發(fā)送請求時，從節(jié)不會自己發(fā)出數(shù)據(jù)，從節(jié)點之間不能相互通訊（也就是說從節(jié)點之間不能相互發(fā)送請求）。

無論主節(jié)點發(fā)送的是廣播指令還是單播指令，實際上所有從節(jié)點都會完整接收指令。但發(fā)送單播指令時，只有地址和指令中中指定地址相同的從節(jié)點才會執(zhí)行及回應(yīng)指令，其它從節(jié)點將忽略收到的指令，而廣播請求所有收到指令的設(shè)備都會執(zhí)行指令，但不會給主機回應(yīng)指令。

半雙工通信

Modbus 由于請求/應(yīng)答機制所以不能同步通信（同步通信需要收發(fā)雙方以相同的節(jié)奏發(fā)送和接收數(shù)據(jù)），總線上每次只有一幀數(shù)據(jù)進行傳輸，屬于半雙工通信。

Modbus 沒有支持繁忙機制處理，例如主機給從機發(fā)送命令， 如果從機正在處理其他任務(wù)，此時從機將無法響應(yīng)主機，所以需要通過軟件的方式來判斷是否正常接收。

Modbus消息幀

Modbus 協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU -> 功能碼 + 數(shù)據(jù) 部分）。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上
的 MODBUS 協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU -> 地址域 + 功能碼 + 數(shù)據(jù) + 差錯校驗）上引入一些附加域

通用數(shù)據(jù)幀

說明：每個劃分字段都用16進制表示

• 地址域

  從機設(shè)備地址，通常1-247為有效地址，0為廣播地址(用于接收主機的廣播數(shù)據(jù))，每個從機在總線上地址必須唯一，只有與主機發(fā)送的地址碼相符的從機才能響應(yīng)返回數(shù)據(jù)。

  主節(jié)點通過將要聯(lián)絡(luò)的從節(jié)點的地址放入消息中的地址域來選取需要通信的從設(shè)備。當從節(jié)點發(fā)送回應(yīng)消息時，需要把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主節(jié)點知道是哪一個設(shè)備作出的回應(yīng)。

• 功能碼

  表明主節(jié)點請求數(shù)據(jù)的類型。

  當主節(jié)點向從設(shè)備發(fā)送消息時，功能碼將告訴從設(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)容等。

• 數(shù)據(jù)

  包含寄存器地址和寄存器數(shù)據(jù)等

• 差錯校驗

  對數(shù)據(jù)進行冗余校驗的結(jié)果，CRC、LRC

其中事務(wù)處理正常時，客戶機向服務(wù)器發(fā)送請求，在功能碼中填充功能碼代號，說明服務(wù)器需要執(zhí)行的動作，在數(shù)據(jù)碼區(qū)填充具體的要求，比如讀寄存器的地址和數(shù)量，通信正常時服務(wù)器會在返回的通信幀的功能碼區(qū)中填充一個操作碼，該操作碼=功能碼，在通訊幀的數(shù)據(jù)區(qū)填充返回的采樣數(shù)據(jù)。

當出現(xiàn)事務(wù)處理異常時，服務(wù)器會在返回的通訊幀的功能碼中填充一個差錯碼，該差錯碼 = 功能碼 + 0x80，即將功能碼的最高位置1代表出現(xiàn)錯誤。并在后面的數(shù)據(jù)段中填充錯誤碼，用來指示本次通信的錯誤具體內(nèi)容。

Modbus ASCII消息幀

起始位(?? + ADU + 結(jié)束符

說明：消息以 : 冒號字符（ASCII 碼16進制表示 3A）開始，以回車換行符(CR LF, ASCII 碼16進制表示 0D，0A)結(jié)束。

一個典型 ASCII 消息幀如下

Modbus RTU 消息幀

說明：RTU 通信模式下，其發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)即為原始字節(jié)數(shù)據(jù)，接收端接收后無需再次轉(zhuǎn)換。

注意：

1. RTU 模式，數(shù)據(jù)幀之間必須至少間隔 3.5 個字符時間，通過時間區(qū)間來區(qū)分報文，如下：

2. RTU 模式下，整個報文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，如果兩個字符之間的空閑間隔大于 1.5 個字符時間，則報文幀被認為不完整應(yīng)該被接收節(jié)點丟棄

3. 字符時間
   所謂字符時間指的是傳輸一個 ASCII 字符需要花費的時間，一個 ASCII 字符包含 1 個字節(jié)（8 bits），所以傳輸一個字符需要花費傳輸 8 個數(shù)據(jù)位的時間（所以這里字符傳輸時間指代傳輸1字節(jié)數(shù)據(jù)消耗的時間）。

   然而實際上傳輸 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)需要花費的時間并不只 8 個位時間，因為除了傳輸固有的 1 字節(jié)數(shù)據(jù)，還需要傳輸一些輔助功能位。例如發(fā)送 1 個字節(jié)需要固定起始位 1 位，數(shù)據(jù)位 8 位，校驗位 1 位（可選的），停止位 1 位，其中 8 位數(shù)據(jù)位才是真正的有效數(shù)據(jù)，所以有如下公式來計算字符時間。

   字符時間=1s / 波特率 × 字符的字節(jié)總位數(shù)。

   例如：固定起始位 1 位，數(shù)據(jù)位 8 位，奇/偶校驗位 1 位，停止位 1 位，波特率為9600 bps，計算單個字符傳輸時間為：

   字符時間 = 1000 ms / 9600 × ( 1 + 8 + 1 + 1 ) = 1.145833 ms

Modbus TCP/IP 消息幀

MBAP 報文頭 + PDU（此處PDU來自數(shù)據(jù)鏈路層的PDU）

MBAP 報文頭包括下列域：

• 事務(wù)元標識符

  Modbus 請求/響應(yīng)事務(wù)處理的識別，可以理解為報文的序列號，一般每次通信之后就要加 1 以區(qū)別不同的通信數(shù)據(jù)報文

• 協(xié)議標識符

  00 00 表示Modbus 協(xié)議 客戶機啟動

• 長度

  表示接下來的數(shù)據(jù)長度，包括單元標識符和數(shù)據(jù)域

• 單元標識符

  串行鏈路或其它總線上連接的遠程從節(jié)點的識別碼，可以理解為從節(jié)點地址

數(shù)據(jù)編碼

MODBUS 使用一個Big-Endian (低地址位存放最高有效字節(jié)) 表示地址和數(shù)據(jù)項。這意味著當發(fā)射多個字節(jié)時，首先發(fā)送最高有效位。

例如：
寄存器大小 值

16 0x1234 發(fā)送的第一字節(jié)為 0x12， 然后 0x34

參考閱讀：Big Endian和Little Endiand的區(qū)別

數(shù)據(jù)模型

為了抽象 PLC 中可訪問的數(shù)據(jù)，Modbus 協(xié)議定義了 數(shù)據(jù)模型 概念，數(shù)據(jù)模型定義了四種可訪問的數(shù)據(jù)類型：

實際上以上的數(shù)據(jù)類型都屬于可編程邏輯控制器（PLC）中的術(shù)語，可以簡單理解為用來存放數(shù)據(jù)的容器，線圈通常用于表示開關(guān)狀態(tài)（如繼電器的通或斷），而寄存器通常用于存儲線性或非線性的數(shù)值數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)模型中的每一種數(shù)據(jù)類型都最多允許有 65536 個元素，元素的地址編號從 0 開始，因此地址的范圍為：0-65535。

需要說明的是：65536 是 Modbus 協(xié)議允許的最大元素范圍，實際應(yīng)用中一般不需要這么大的存儲區(qū)，因此 PLC 廠家普遍采用的是 10000 以內(nèi)的地址范圍。

引入元素地址前綴編碼，是為了簡化數(shù)據(jù)模型與設(shè)備存儲區(qū)的對應(yīng)關(guān)系。

參考鏈接：https://blog.csdn.net/jf_52001760/article/details/130192127

數(shù)據(jù)模型是一種抽象，在實際使用時必須將其映射到真實的物理存儲區(qū)才能被訪問。

Modbus 協(xié)議允許設(shè)備將四種數(shù)據(jù)類型分別映射到不同的存儲區(qū)塊中，各個區(qū)塊之間相互獨立，使用不同的功能碼可讀取到不同的數(shù)值，如下圖所示

帶有多個獨立塊的設(shè)備

僅有1個塊的設(shè)備

功能碼

功能碼整體可以分成三類：

• 公共功能碼
• 用戶自定義功能碼（[65, 72]， [100, 110]）
• 保留功能碼

常用功能碼

請求和應(yīng)答報文示例

Modbus RTU通信

示例1：寫單個寄存器。向01地址設(shè)備0x0105保持寄存器寫入1個數(shù)據(jù)：0x0190

主機發(fā)送： 01 06 01 05 01 90 99 CB
從機回復(fù)： 01 06 01 05 01 90 99 CB

說明：01表示從機地址，06功能碼表示寫單個保持寄存器，01 05表示寄存器地址，01 90 表示寫入寄存器的數(shù)值，99 CB為CRC校驗值。

可以看出，當寫1個寄存器數(shù)據(jù)時，從機響應(yīng)的數(shù)據(jù)幀和主機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀完成一致。

附：CRC（循環(huán)冗余校驗）在線計算地址：http://www.ip33.com/crc.html

CRC-16代碼實現(xiàn)

# -*- coding:utf-8 -*-
'''生成  CRC  的過程為:
1.將一個 16 位寄存器裝入十六進制 FFFF,將之稱作 CRC 寄存器.
2.將報文的第一個8位字節(jié)與上述 CRC 寄存器的低字節(jié)異或，結(jié)果置于 CRC 寄存器.
3.將 CRC 寄存器右移 1 位  (向 LSB(Least Significant Bit，最低有效位) 方向)，  MSB(Most Significant Bit，最高有效位) 充零。提取并檢測 LSB。
4.如果 LSB 為 0，則重復(fù)步驟 3 (另一次移位).
  如果 LSB 為 1: 對 CRC 寄存器異或多項式值 0xA001 (對應(yīng)16位二進制：1010 0000 0000 0001)
5.重復(fù)步驟 3 和 4，直到完成 8 次移位。當做完此操作后，將完成對 8 位字節(jié)的完整操作。
6. 對報文中的下一個字節(jié)重復(fù)步驟 2 到 5，繼續(xù)此操作直至所有報文被處理完畢。
7. CRC  寄存器中的最終內(nèi)容為 CRC  值.
8. 當放置 CRC 值于報文時，需要交換CRC高低字節(jié)。
'''
def hex_char_to_int(hex_char):
    '''
    :param hex_char: 16進制表示的字符
    :return: 字節(jié)
    '''
    return "0123456789ABCDEF".find(hex_char)
def hex_string_to_bytes(hex_string):
    '''
    16進制字符串轉(zhuǎn)為字節(jié)數(shù)組
    :param hex_string:  16進制表示的字符串
    :return: 字節(jié)數(shù)組
    '''
    hex_string = hex_string.strip()
    hex_string_len = len(hex_string)
    if not hex_string_len:
        return
    byte_array = [] # 存放最終結(jié)果
    hex_string = hex_string.upper()
    for i in range(int(hex_string_len/2)):
        high_digit = hex_char_to_int(hex_string[2*i]) # 獲取高4位的10進制表示
        low_digit = hex_char_to_int(hex_string[2*i+1])  # 獲取低4位的10進制表示
        # high_digit 左移4位，形成字節(jié)高4位
        byte_array.append(high_digit << 4 | low_digit) # 通過異或運算，得到字節(jié)
    if hex_string_len % 2 == 1: # 不能整除時，最后一個1個字符的處理
        byte_array.append(0x00 | hex_char_to_int(hex_string[hex_string_len-1]))
    return byte_array
def bytes_to_hex_string(byte_list):
    '''
    字節(jié)轉(zhuǎn)為16進制字符串
    :param byte_list: 字節(jié)數(shù)組
    :return: 字節(jié)數(shù)組對應(yīng)的大寫16進制字符串表示
    '''
    hex_string = ""
    for i in range(len(byte_list)):
        # [2:] 去掉 '0x'
        # zfill(2) 1字節(jié)需要2位16進制字符來表示，不夠時填充0
        hex_string += hex(byte_list[i] & 0xFF)[2:].zfill(2)
    return hex_string.upper()
def calculate_crc(data):
    reg_crc = 0xFFFF
    for byte in data:
        reg_crc ^= byte
        for _ in range(8):
            if reg_crc & 0x0001: # 這里直接通過與運算，就可以判斷最低有效位是否為0，和步驟3操作等價的
                reg_crc = (reg_crc >> 1) ^ 0xA001
            else:
                reg_crc >>= 1
    return reg_crc.to_bytes(2, 'big') # 按大端模式返回代表整數(shù)的2字節(jié)數(shù)據(jù)
# 測試
string_data = '01 06 01 05 01 90'
string_data = string_data.replace(' ', '')
byte_list = bytes(string_data, encoding='utf-8')  # 注意，這里不能用代碼：實現(xiàn)，這樣是錯誤的，獲取不到正確結(jié)果
byte_list = hex_string_to_bytes(string_data)
crc_value  = calculate_crc(byte_list)
print(crc_value, bytes_to_hex_string(crc_value)) # 輸出：b'\xcb\x99' CB99
final_crc = ''
for byte in crc_value:
    final_crc = str(hex(byte)).lstrip('0x') +  ' ' + final_crc
print(final_crc.upper()) # 輸出：99 CB

示例2：寫多個寄存器。向01地址設(shè)備0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器，寫入3個寄存器數(shù)據(jù)：0x1102, 0x0304, 0x0566

主機發(fā)送：01 10 01 05 00 03 06 11 02 03 04 05 66 4A 12
從機回復(fù)：01 10 01 05 00 03 91 F5

說明：01從機地址，10功能碼表示寫多個保持寄存器，01 05表示起始地址，00 03表示寫3個寄存器，06表示數(shù)據(jù)量為6個字節(jié)，11 02/03 04/05 66分別表示寫入3個寄存器的數(shù)值，4A 12 表示CRC校驗數(shù)值。

示例3：讀單個寄存器。讀01地址設(shè)備0x0105保持寄存器數(shù)據(jù)。

主機發(fā)送：01 03 01 05 00 01 95 F7
從機回復(fù)：01 03 02 56 78 87 C6

說明：

03表示讀多個寄存器，0105表示起始地址，00 01表示讀1個寄存器

02表示2個字節(jié)，56 78表示寄存器的數(shù)據(jù)。

示例4：讀多個寄存器。讀01地址設(shè)備0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器，共3個寄存器數(shù)據(jù)。

主機發(fā)送：01 03 01 05 00 03 14 36
從機回復(fù)：01 03 06 11 22 33 44 55 66 2A 18

說明：

03表示讀多個寄存器，01 05表示起始地址，00 03 表示讀3個寄存器

06表示6個字節(jié)，11 22 33 44 55 66表示寄存器的數(shù)據(jù)。

Modbus ASCII

例子：向地址為0x01的從設(shè)備的0x0405地址，寫入數(shù)值0x1234，報文如下：

主機發(fā)送請求： :01 06 04 05 12 34 AA <CR><LF>

說明：01表示設(shè)備地址，06表示寫單個保持寄存器。04 05 表示寄存器地址，12 34 表示數(shù)據(jù)，AA 表示LRC校驗值。實際進行校驗的數(shù)據(jù)不包含起始符(:)和結(jié)束符（<CR><LF>）。

附：LRC校驗(縱向冗余校驗)在線計算地址：http://www.ip33.com/lrc.html

LRC代碼實現(xiàn)

string  = '01 06 04 05 12 34'
total = 0
for item in string.split(' '):
    total += int(item, 16)
result = total % 256
hex_lrc_vale = hex(256 - result)

錯誤碼

常用錯誤碼如下表所示。

?轉(zhuǎn)自https://www.cnblogs.com/shouke/p/18315015