[Modbus] Modbus协议开发-基本概念（一）

历史

ModBus官网是Modicon（Modicon早年已被施耐德收购）公司为其PLC通讯而开发的一种通讯协议。

概述

通过Modbus协议，控制器之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其它设备之间进行通信。

优点

免费、好用、成熟、网络上支持资料多，开发上手容易。

通讯技术

Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。

Modbus协议说明

Modbus协议的工作方式

响应方式：主站请求/从站应答的方式。
主站：每次通讯均由主站发送指令，发送方式可以是广播，也可以是向特定从站的单播（PearToPear）；
从站：每次通讯主要是响应主站指令，并按要求应答，或报告异常。当主站不发送请求时，从站不会自己发出数据，并且从站之间不能直接通讯。

Modbus协议的数据传输模式

传输模式：使用串口传输，RTU、ASCII或TCP模式。
消息定义：主要确认消息、数据结构、命令与应答方式，且需要对数据进行校验。
校验方式：RTU模式采用16位CRC校验，ASCII模式采用LRC校验。
传输方式：通过以太网传输数据时，一般使用TCP协议，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议，所以在该模式下不校验。

三种通讯模式（依据传输介质分类）

Modbus可使用串口和网口（含光纤）方式进行传输。
串口通讯：RTU、ASCII。串口通讯(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。
网口（含光纤）：TCP属于网口(以太网通讯)，通常是RJ45接口，即日常的网线作为承载物。

串口的样子

使用Modbus通信的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数，否则通信无法成功。
好比A说印度语，B说汉语，两人很难交流成功。
常用的参数如下：

1. 波特率：通讯速率
2. 数据位：衡量通信中实际数据位
3. 停止位：用于表示单个包的最后一位
4. 校验位：通信中的验错方式。奇校验(ODD)、偶校验(EVEN)，1校验(MARK) 、 0校验(SPACE)，无校验(NONE)。

ModbusRTU

数据包的开始与结束

完整报文的识别：在ModbusRTU协议中，通过每次通信的时间间隔来判断一帧报文的开始和结束，协议规定的时间为3.5个字符周期。在一帧报文开始前，必须有大于3.5个字符周期的空闲时间，一帧报文结束后，也必须要有3.5个字符周期的空闲时间，否则就会出现粘包的请况。3.5个字符周期是一个具体时间，与波特率有关，开发时需要注意。
异常报文的识别：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。
报文分割情况：

CRC循环冗余校验

在 RTU 模式包含一个对全部报文内容执行的，基于循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的错误检验域。CRC域检验整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。CRC的值具体情况如下：
1)16位，由两个8字节组成；
2)在报文包的最后部分，字节由低到高；
3)由发送设备计算。接收设备在接收报文时需重新计算CRC的值，并将计算结果与实际接报文中的CRC值进行对比，如果两值不等，则被视为错误。

在串行链路中的报文格式

从站地址(1 byte)+功能码(1 byte)+数据区(N bytes)+校验码(2 bytes)

1. 从站地址（子节点地址）：1byte，索引功能
2. 功能代码：1byte，标识读写功能
3. 具体数据：1byte/N bytes通信所传输的数据
4. CRC校验：2bytes，判断接收的数据在传输过程中是否有损失

读取输出/保持寄存器

ModbusTCP

报文帧

MBAP+PDU

MBAP

MBAP为报文头，长度为7字节

PDU

ModbusASCII

报文帧

数据包的开始与结束

并非依靠时间间隔判定帧的起始，而是依靠特定字符做数据包的起始判定，结束也是通过特定字符判定。从图中可知起始的判断是’:’字符，结束的判断是字符是windows系统下的回车换行。数据的最大长度被扩容到2*252的长度，相比rtu模式能传输相同的数据量，但ascii传输的速度更慢一些。