通讯协议之ModBus

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

• 什么是ModBus
• 相关工具
  • ModBus poll
  • ModBUs slave
• 传输方式
  • TCP
  • RTU
  • ASCII
• 消息帧

什么是ModBus

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。Modbus 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：

1. 公开发表并且无著作权要求
2. 易于部署和维护
3. 对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制

ModBus能够在点对点和多点网络上运行，ModBus设备采用主从技术进行通信，其中只有一个设备可以发送请求。其他设备通过向主站提供所请求的数据来响应，或者通过采取查询中请求的操作。从机可以是任何外围设备，比如I/O传感器、阀门、网络驱动器、或者其他测量类型的设备。从站处理信息和使用ModBus将其响应消息发送给主站。

相关工具

• 主站模拟器 ModBus poll
• 从站模拟器 ModBus slave
• 串口工具 Virtual Serial Port Driver
• Java工具库 ModBus4j
• golang工具库 goburrow/modbus

传输方式

ModBus协议分为三种通信方式，分别是：

• 异步串行: ModBus RTU 和 ModBus ASCII, 传输介质包括有线RS-232/422/485, 光纤, 无线
• 以太网: ModBus TCP/IP
• 高速令牌传递网络: ModBus PLUS

下面主要介绍的是 ModBus TCP/IP, ModBus RTU 和 ModBus ASCII

消息帧

ADU: 应用数据单元

PDU: 协议​数据​单元​

ModBus TCP

Modbus TCP的数据帧可分为两部分：ADU=MBAP+PDU = MBAP + 功能码 + 数据域，MBAP有7byte，功能码有1byte，数据域不确定，由具体功能决定。

MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

1. 事务处理标识 2个字节
2. 协议标识 2个字节
3. 长度 2个字节
4. 单元标识符 1个字节

PDU格式如下:

1. 功能码 1个字节
2. 数据 (不同功能码,内部结构也不同)

ModBus RTU

ADU整体的结构如下:

• 从站地址 1个字节
• 功能码 1个字节
• 数据 0-253个字节
• 校验段 2个字节
  • CRC1 1个字节
  • CRC2 1个字节

Modbus RTU的报文格式没有定义帧的起始与结束字符, 因此对于帧识别有时间上的要求: 帧与帧之间的时间间隔要大于3.5个字符(字节)的时间, 否则认定为错误情况; 而帧内部的字符之间的间隔不能大于1.5个字符的时间, 否则, 不认为是同一个数据帧; 如下图所示.

ModBus ASCII

ASCII与RTU的区别是, 它的数据帧有开始和结束的标志位.

在ASCII（AmericanStandard Code for Information Interchange）传输模式下，消息帧以英文冒号（“：”，ASCII3A Hex）开始，以回车和换号（CRLF，ASCII 0D and 0A Hex）符号结束，允许的传输的字符集为十六进制的09和AF；网络中的从设备监视传输通路上是否有英文冒号（“：”），如果有的话，就对消息帧进行解码，查看消息中的地址是否与自己的地址相同，如果相同的话，就接收其中的数据；如果不同的话，则不予理会。

在ASCII模式下，每个8位的字节被拆分成两个ASCII字符进行发送，比如十六进制数0xAF ,会被分解成ASCII字符“A”和“F”进行发送，发送的字符量比RTU增加一倍。ASCII模式的好处是允许两个字符之间间隔的时间长达1s而不引发通信故障，该模式采用纵向冗余校验（Longitudinal Redundancy Check ，LRC)） 的方法来检验错误。

ADU整体的结构如下:

• 起始 1个字节
• 地址 2个字节
• 功能码 2字节
• 数据 0-252*2字节
• LRC 2个字节
• 截止 2个字节

ModBuss数据模型

Modbus中，数据可以分为两大类，分别为位变量(Coil)和整形变量(Register)，每一种数据，根据读写方式的不同，又可细分为两种（只读，读写）。

1. Discretes Input 位变量 只读
2. Coils 位变量 读写
3. Input Registers 16-bit整型 只读
4. Holding Registers 16-bit整型 读写

地址范围：

设备地址	ModBus地址	描述	功能	R/W
1~10000	address-1	Coils（Output）	0	R/W
10001~20000	address-10001	Discrete Inputs	01	R
30001~40000	address-30001	Input Registers	04	R
40001~50000	address-40001	Holding Registers	03	R/W

常见功能码：

功能码	名称	功能	对应的地址类型
01	读线圈状态	读位（读N个bit）---读从机线圈寄存器，位操作	0x
02	读输入离散量	读位（读N个bit）---读离散输入寄存器，位操作	1x
03	读多个寄存器	读整型、字符型、状态字、浮点型（读N个words）---读保持寄存器，字节操作	4X
04	读输入寄存器	读整型、状态字、浮点型（读N个words）---读输入寄存器，字节操作	3x
05	写单个线圈	写位（写一个bit）---写线圈寄存器，位操作	0x
06	写单个保持寄存器	写整型、字符型、状态字、浮点型（写一个word）---写保持寄存器，字节操作	4x
0F	写多个线圈	写位（写n个bit）---强置一串连续逻辑线圈的通断	0x

举例说明

使用ModBusTCP作为例子， RTU和ASCII格式参考不同

读取数据

线圈读取

请求：
0003 0000 0006 01 01 00 00 00 01

• 0003 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度（01 01 00 00 00 01）
• 01 单元标识符（设备地址）
• 01 功能码（线圈）
• 0000 从0000开始读
• 0001 读取1位

响应：
0003 0000 0004 0101 0101

• 0003 序号
• 0000 协议标识符
• 0004 长度 （01 01 01 01）
• 01 单元标识符（设备地址）
• 01 功能码（线圈）
• 01 长度为1
• 01 值为01

离散值读取

请求:
0001 0000 0006 01 02 0000 000a

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 02 00 00 00 0a)
• 01 单元标识符(设备地址)
• 02 功能码
• 0000 从0000开始读
• 000a 读取0x0a (十进制为10)个位

响应:
0001 0000 0005 01 02 02 95 02

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0005 长度为5(01 02 02 95 02)
• 01 单元标识符(设备地址)
• 02 功能码
• 02 值的长度(95 02)
• 95 第一个字节的值 二进制为: 10010101
• 02 第二个字节的值 二进制为: 10

第一个字节：1 0 1 0 1 0 0 1

第二个字节：0 1

保持寄存器读取

请求:
0001 0000 0006 01 03 00 00 00 0a

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 03 00 00 00 0a)
• 01 单元标识符(设备地址)
• 03 功能码
• 0000 从0000开始读
• 000a 读取0x0a (十进制为10)个字符

响应:
0003 0000 0017 01 03 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0017 长度(01 03 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00)
• 01 单元标识符(设备地址)
• 03 功能码
• 14 长度(十进制为20) (00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00)
• 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 具体的数据

10条数据都为 0

如果10条数据为1-10递增, 则表示为 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 000a

输入寄存器读取

请求:
0001 0000 0006 01 04 0000 000a

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 04 00 00 00 0a)
• 01 单元标识符(设备地址)
• 04 功能码
• 0000 从0000开始读
• 000a 读取0x0a (十进制为10)个字符

正确的响应
0003 0000 0017 01 04 14 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 7fff

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0017 长度(01 03 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00)
• 01 单元标识符(设备地址)
• 04 功能码
• 14 长度(十进制为20) (00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 07 00 08 00 09 7f ff)
• 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 7fff 具体的数据

前9个为 1 到 9 递增, 最后一个为 32767(十进制), 范围是(-32768 到 32767)

写数据

单写

写线圈

请求
0008 0000 0006 01 05 0000 ff00

• 0008 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 05 00 00 ff 00)
• 01 单元标识符（设备地址）
• 05 功能码
• 0000 写入0000地址
• ff00 写入开 (0000 写入关)

成功的响应
0023 0000 0006 01 05 0001 0000

• 0023 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 05 00 00 00 00)
• 01 单元标识符（设备地址）
• 05 功能码
• 0000 写入0000地址
• ff00 写入开 (0000 写入关)

写保持寄存器

请求:
0001 0000 0006 01 06 0000 0001

• 0001 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 06 0000 0001)
• 01 单元标识符（设备地址）
• 06 功能码
• 0000 写入0000地址
• 0001 写入的值

成功的响应
0069 0000 0006 01 06 0000 0068

• 0069 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 06 00 00 00 68)
• 01 单元标识符（设备地址）
• 06 功能码
• 0000 写入0000地址
• 0068 写入值68(十进制:104)

批量写

写线圈

请求
000b 0000 0009 01 0f 00 00 00 09 02 7a 01

• 000b 序号
• 0000 协议标识符
• 0009 长度(01 0f 0000 00 09 02 7a 01)
• 01 单元标识符
• 0f 功能码 15
• 0000 从地址0000开始
• 0009 写入数量
• 02 长度(7a 01)
• 7a 01 输入这些值 (7a 二进制为 0111 1010, 01 二进制为 0000 0001)

输入的值为 0 1 0 1 1 1 1 0 1

正确响应
000b 0000 0006 01 0f 0000 0009

• 000b 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 0f 0000 0009)
• 01 单元标识符
• 0f 功能码 15
• 0000 从地址0000开始
• 0009 更新值的个数

写保持寄存器

请求
0006 0000 001b 01 10 0000 000a 14 0006 0007 0008 0009 000a 000b 000c 000d 000e 8004

• 0006 序号
• 0000 协议标识符
• 001b 长度(十进制为27)
• 01 单元标识符
• 10 功能码(十进制为:16)
• 0000 从地址0000开始更改
• 000a 改的个数为a(十进制为:10)
• 14 字节长度(十进制为20)
• 0006 0007 0008 0009 000a 000b 000c 000d 000e 8004 具体的数据

正确的响应
0006 0000 0006 01 10 0000 000a

• 0006 序号
• 0000 协议标识符
• 0006 长度(01 10 00 00 00 0a)
• 01 单元标识符
• 10 功能码(十进制为:16)
• 0000 从地址0000开始更改
• 000a 改的个数为a(十进制为:10)