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Modbus通訊協議解析

瞭解Modbus通訊協議是怎麼回事,在現場就可以用各種第三方的小軟體做通訊測試了。

Modbus協議包括ASCII、RTU、TCP等,並沒有規定物理層。此協議定義了控制器能夠認識和使用的訊息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。標準的Modicon控制器使用RS232C實現串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協議規定了訊息、資料的結構、命令和就答的方式,資料通訊採用Maser/Slave方式,Master端發出資料請求訊息,Slave端接收到正確訊息後就可以發送資料到Master端以響應請求;Master端也可以直接發訊息修改Slave端的資料,實現雙向讀寫。

Modbus協議需要對資料進行校驗,串行協議中除有奇偶校驗外,ASCII樣式採用LRC校驗,RTU樣式採用16位CRC校驗,但TCP樣式沒有額外規定校驗,因為TCP協議是一個面向連接的可靠協議。另外,Modbus採用主從方式定時收發資料,在實際使用中如果某Slave站點斷開後(如故障或關機),Master端可以診斷出來,而當故障修複後,網絡又可自動接通。因此,Modbus協議的可靠性較好。

對於Modbus的ASCII、RTU和TCP協議來說,其中TCP和RTU協議非常類似,我們只要把RTU協議的兩個位元組的校驗碼去掉,然後在RTU協議的開始加上5個0和一個6並通過TCP/IP網絡協議發送出去即可。

(一)、通訊傳送方式:

通訊傳送分為獨立的信息頭,和發送的編碼資料。以下的通訊傳送方式定義也與ModBusRTU通訊規約相兼容:

初始結構 = ≥4位元組的時間

地址碼 = 1 位元組

功能碼 = 1 位元組

資料區 = N 位元組

錯誤校檢 = 16位CRC碼

結束結構 = ≥4位元組的時間

地址碼:地址碼為通訊傳送的第一個位元組。這個位元組表明由用戶設定地址碼的從機將接收由主機發送來的信息。並且每個從機都有具有唯一的地址碼,並且響應回送均以各自的地址碼開始。主機發送的地址碼表明將發送到的從機地址,而從機發送的地址碼表明回送的從機地址。

功能碼:通訊傳送的第二個位元組。ModBus通訊規約定義功能號為1到127。本儀錶只利用其中的一部分功能碼。作為主機請求發送,通過功能碼告訴從機執行什麼動作。作為從機響應,從機發送的功能碼與從主機發送來的功能碼一樣,並表明從機已響應主機進行操作。如果從機發送的功能碼的最高位為1(比如功能碼大與此同時127),則表明從機沒有響應操作或發送出錯。

資料區:資料區是根據不同的功能碼而不同。資料區可以是實際數值、設置點、主機發送給從機或從機發送給主機的地址。

CRC碼:二位元組的錯誤檢測碼。

(二)、通訊規約:

當通訊命令發送至儀器時,符合相應地址碼的設備接通訊命令,並除去地址碼,讀取信息,如果沒有出錯,則執行相應的任務;然後把執行結果返送給發送者。返送的信息中包括地址碼、執行動作的功能碼、執行動作後結果的資料以及錯誤校驗碼。如果出錯就不發送任何信息。

1.信息幀結構

地址碼功能碼資料區錯誤校驗碼

8位 8位 N × 8位 16位

地址碼:地址碼是信息幀的第一位元組(8位),從0到255。這個位元組表明由用戶設置地址的從機將接收由主機發送來的信息。每個從機都必須有唯一的地址碼,並且只有符合地址碼的從機才能響應回送。當從機回送信息時,相當的地址碼表明該信息來自於何處。

功能碼:主機發送的功能碼告訴從機執行什麼任務。表1-1列出的功能碼都有具體的含義及操作。

資料區:資料區包含需要從機執行什麼動作或由從機採集的返送信息。這些信息可以是數值、參考地址等等。例如,功能碼告訴從機讀取暫存器的值,則資料區必需包含要讀取暫存器的起始地址及讀取長度。對於不同的從機,地址和資料信息都不相同。

錯誤校驗碼:主機或從機可用校驗碼進行判別接收信息是否出錯。有時,由於電子噪聲或其它一些干擾,信息在傳輸過程中會發生細微的變化,錯誤校驗碼保證了主機或從機對在傳送過程中出錯的信息不起作用。這樣增加了系統的安全和效率。錯誤校驗採用CRC-16校驗方法。

註:信息幀的格式都基本相同:地址碼、功能碼、資料區和錯誤校驗碼。

2.錯誤校驗

冗餘迴圈碼(CRC)包含2個位元組,即16位二進制。CRC碼由發送設備計算,放置於發送信息的尾部。接收信息的設備再重新計算接收到信息的 CRC碼,比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符,如果兩者不相符,則表明出錯。

(三)、Modbus支持的功能碼:

(三)、功能碼命令詳解:

在這些功能碼中較長使用的是1、2、3、4、5、6號功能碼,使用它們即可實現對下位機的數字量和模擬量的讀寫操作。

1、01號命令,讀可讀寫數字量暫存器(線圈狀態):

計算機發送命令:[設備地址] [命令號01] [起始暫存器地址高8位] [低8位] [讀取的暫存器數高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]

例:[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]

意義如下:

<1>設備地址:在一個485總線上可以掛接多個設備,此處的設備地址表示想和哪一個設備通訊。例子中為想和17號(十進制的17是十六進制的11)通訊。

<2>命令號01:讀取數字量的命令號固定為01。

<3>起始地址高8位、低8位:表示想讀取的開關量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為19。

<4>暫存器數高8位、低8位:表示從起始地址開始讀多少個開關量。例子中為37個開關量。

<5>CRC校驗:是從開頭一直校驗到此之前。

設備響應:[設備地址] [命令號01] [傳回的位元組個數][資料1][資料2]…[資料n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例:[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B][CRC高] [CRC低]

意義如下:

<1>設備地址和命令號和上面的相同。

<2>傳回的位元組個數:表示資料的位元組個數,也就是資料1,2…n中的n的值。

<3>資料1…n:由於每一個資料是一個8位的數,所以每一個資料表示8個開關量的值,每一位為0表示對應的開關斷開,為1表示閉合。比如例子中,表示20號(索引號為19)開關閉合,21號斷開,22閉合,23閉合,24斷開,25斷開,26閉合,27閉合…如果詢問的開關量不是8的整倍數,那麼最後一個位元組的高位部分無意義,置為0。

<4>CRC校驗同上。

2、05號命令,寫數字量(線圈狀態):

計算機發送命令:[設備地址] [命令號05] [需下置的暫存器地址高8位] [低8位] [下置的資料高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]

例:[11][05][00][AC][FF][00][CRC高][CRC低]

意義如下:

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫數字量的命令號固定為05。

<3>需下置的暫存器地址高8位,低8位:表明瞭需要下置的開關的地址。

<4>下置的資料高8位,低8位:表明需要下置的開關量的狀態。例子中為把該開關閉合。註意,此處只可以是[FF][00]表示閉合[00][00]表示斷開,其他數值非法。

<5>註意此命令一條只能下置一個開關量的狀態。

設備響應:如果成功把計算機發送的命令原樣傳回,否則不響應。

3、03號命令,讀可讀寫模擬量暫存器(保持暫存器):

計算機發送命令:[設備地址] [命令號03] [起始暫存器地址高8位] [低8位] [讀取的暫存器數高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例:[11][03][00][6B][00][03][CRC高][CRC低]

意義如下:

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:讀模擬量的命令號固定為03。

<3>起始地址高8位、低8位:表示想讀取的模擬量的起始地址(起始地址為0)。比如例子中的起始地址為107。

<4>暫存器數高8位、低8位:表示從起始地址開始讀多少個模擬量。例子中為3個模擬量。註意,在傳回的信息中一個模擬量需要傳回兩個位元組。

設備響應:[設備地址] [命令號03] [傳回的位元組個數][資料1][資料2]…[資料n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例:[11][03][06][02][2B][00][00][00][64][CRC高] [CRC低]

意義如下:

<1>設備地址和命令號和上面的相同。

<2>傳回的位元組個數:表示資料的位元組個數,也就是資料1,2…n中的n的值。例子中傳回了3個模擬量的資料,因為一個模擬量需要2個位元組所以共6個位元組。

<3>資料1…n:其中[資料1][資料2]分別是第1個模擬量的高8位和低8位,[資料3][資料4]是第2個模擬量的高8位和低8位,以此類推。例子中傳回的值分別是555,0,100。

<4>CRC校驗同上。

4、06號命令,寫單個模擬量暫存器(保持暫存器):

計算機發送命令:[設備地址] [命令號06] [需下置的暫存器地址高8位] [低8位] [下置的資料高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例:[11][06][00][01][00][03][CRC高] [CRC低]

意義如下:

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為06。

<3>需下置的暫存器地址高8位,低8位:表明瞭需要下置的模擬量暫存器的地址。

<4>下置的資料高8位,低8位:表明需要下置的模擬量資料。比如例子中就把1號暫存器的值設為3。

<5>註意此命令一條只能下置一個模擬量的狀態。

設備響應:如果成功把計算機發送的命令原樣傳回,否則不響應。

5、16號命令,寫多個模擬量暫存器(保持暫存器):

計算機發送命令:[設備地址] [命令號16] [需下置的暫存器地址高8位] [低8位] [資料數量高8位] [資料數量低8位] [下置的資料高8位] [低8位][……][……] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

例:[11][16][00][01][00][01][00][05][CRC高] [CRC低]

意義如下:

<1>設備地址和上面的相同。

<2>命令號:寫模擬量的命令號固定為16。

<3>需下置的暫存器地址高8位,低8位:表明瞭需要下置的模擬量暫存器的地址。

<4>需下置的資料數量高8位,低8位:表明瞭需要下置的資料數量,這裡為1。

<5>下置的資料高8位,低8位:表明需要下置的模擬量資料。比如例子中就把1號暫存器的值設為5。

設備響應:如果成功把計算機傳回的如下命令,否則不響應。

設備響應:[設備地址] [命令號16] [需下置的暫存器地址高8位] [低8位] [資料數量高8位] [資料數量低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位],如上例傳回:

[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]

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