modbus通訊協(xié)議是一種工業(yè)通訊協(xié)議，它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構，獨立于物理層介質，可以承載于多種網(wǎng)絡類型中。modbus協(xié)議把通信參與者規(guī)定為“主站”（master）和“從站”（slave），數(shù)據(jù)和信息的通信遵從主/從模式，當它應用于標準modbus網(wǎng)絡時，信息被直接傳送。modbus總線網(wǎng)絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來，只允許一個控制器作為主站，其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式，主站發(fā)出請求，從站應答請求并送回數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，從站不能夠自己發(fā)送信息。modbus協(xié)議定義的各種信息幀格式，描述了主站控制器訪問從站設備的過程，規(guī)定從站怎樣做出應答響應，以及檢查和報告?zhèn)鬏斿e誤等。網(wǎng)絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址，只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發(fā)出的命令。
由于modbus總線系統(tǒng)開發(fā)成本低，簡單易用，并且現(xiàn)在已有很多器、、顯示屏等都具有modbus通信接口，所以它已經成為一種公認的通信標準。通過modbus總線，可以很方便地將不同廠商生產的控制設備連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。
modbus最初為plc通信而設計，它通過24種總線命令實現(xiàn)plc與外界的信息交換。這些總線命令對應的通信功能主要包括ai/ao、di/do的數(shù)據(jù)傳送。但不是很多modbus設備的控制只使用其中的幾條命令，對其余命令不做反應。
1.modbus通信格式
modbus協(xié)議定義了兩種傳輸模式，即rtu（remote terminal unit）和ascii。在rtu模式中，1字節(jié)的信息作為一個8位字符被發(fā)送，而在ascii模式中則作為兩個ascii字符被發(fā)送，如發(fā)送字符“20”時，采用rtu模式時為“00100000”，然而采用ascii模式則成為“00110010”＋“00110000”（ascii字符的“2”和“0”）?？梢姡l(fā)送同樣的數(shù)據(jù)時，rtu模式的效率大約為ascii模式的兩倍。一般來說，數(shù)據(jù)量少而且主要是文本時采用ascii；通信數(shù)據(jù)量大而且是二進制數(shù)值時，多采用rtu模式。
主站一次可向一個或所有從站發(fā)送通信請求（或指令），主設備通過消息幀的地址域來選通從設備。主站發(fā)送的消息幀的內容和順序為：從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)域（數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)內容）、crc校驗碼；從站應答的信息內容和順序與主站信息幀基本相同。modbus除了定義通信功能碼之外，同時還定義了出錯碼，標志出錯信息。主站接收到錯誤碼后，根據(jù)錯誤的原因采取相應的措施。從站應答的數(shù)據(jù)內容依據(jù)功能碼進行響應，例如功能代碼03要求讀取從站設備中保持寄存器的內容。
modbus部分功能碼
2. crc校驗的實現(xiàn)
modbus通信的rtu模式中，規(guī)定信息幀的最后兩個字節(jié)用于傳遞crc（cyclic redundancy check，循環(huán)冗余校驗）碼。發(fā)送方將信息幀中地址域、功能碼、數(shù)據(jù)域的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進行位移并進行xor（異或）計算，即可得到2字節(jié)的crc碼，并把包含crc校驗碼的信息幀作為一連續(xù)的流進行傳輸。接收方在收到該信息幀時按同樣的方式進行計算，并將結果同收到的crc碼的雙字節(jié)比較，如果一致就認為通信正確，否則認為通信有誤，從站將發(fā)送crc錯誤應答。
rtu模式一般采用crc-16冗余校驗方法，crc-16的校驗碼為16位（2字節(jié)），其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。實現(xiàn)crc校驗有兩種方法：根據(jù)crc校驗的定義公式進行計算，或者在程序中建立crc校驗值表。在程序中使用前者更容易實現(xiàn)，這里需要使用crc生成多項式x16＋x15＋x2＋1。該多項式對應的碼組系數(shù)為18005h（16進制），去除最高位，對應的16位余數(shù)為8005h，即為crc-16常數(shù)。crc-16校驗過程如下：將crc寄存器的每一位預置為1；把該寄存器值與8bit的信息幀數(shù)據(jù)進行異或，結果存于該寄存器；對crc寄存器從高到低進行移位，在最高位（msb）的位置補零，而最低位（lsb，移位后已經被移出crc寄存器）如果為1，則把寄存器與crc-16常數(shù)進行異或，否則如果lsb為零，則無需進行異或。重復上述的由高至低的移位8次，第一個8bit數(shù)據(jù)處理完畢，用此時寄存器的值與下一個8bit數(shù)據(jù)異或并進行如前一樣的8次移位。所有的字符處理完成后crc寄存器內的值即為最終的crc值。crc添加到消息中時，先加入低字節(jié)，然后高字節(jié)。
3. 鏈路特征
modbus標準的物理層可以采用rs-232串行通信方式，但在長距離通信中常采用rs-422或rs-485代替。在多點通信情況下只采用rs-485方式，所以rtu模式下的modbus系統(tǒng)采用屏蔽雙絞線，通信距離可達1000m。一條總線上最多可配置31個從站設備。傳輸線上的信息交換是半雙工的，即同時只能有一臺設備允許發(fā)送信息，主站在發(fā)送下一條指令之前等待從站回應，從而避免了線路的沖突。
rtu模式的傳輸格式是1個數(shù)據(jù)位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。通信數(shù)據(jù)安全由控制參數(shù)crc-16碼保證。rtu接收設備依靠接收字符間經過的時間判斷一幀的開始，如果經過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設備就會放棄該幀，并設下一個字符為新一幀的開始。
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