前言

Modbus是一種串行通訊協(xié)議，誕生于1979年，最初是為了解決PLC之間的通訊問(wèn)題而發(fā)表的。目前Modbus是工業(yè)通訊領(lǐng)域的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，是工控領(lǐng)域最常用的通訊協(xié)議之一。

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2016年3月16日 - 初稿(未發(fā)布)
2020年4月24日 - 添加功能碼對(duì)應(yīng)寄存器等

作者：海伏科技——小濤（轉(zhuǎn)載注明出處）
閱讀原文 - http://ychhy.com.cn/class/63

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• Modbus協(xié)議參考指南（英文原版)：PI_MBUS_300.pdf

前言

Modbus是一種串行通訊協(xié)議，誕生于1979年，最初是為了解決PLC之間的通訊問(wèn)題而發(fā)表的。目前Modbus是工業(yè)通訊領(lǐng)域的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，是工控領(lǐng)域最常用的通訊協(xié)議之一。相信正在看這篇文章的您已經(jīng)對(duì)Modbus協(xié)議有一定的了解，下面就讓我們開(kāi)始主題，聊一聊Modbus通訊協(xié)議的工作原理。

設(shè)計(jì)一款通訊協(xié)議

通訊即數(shù)據(jù)的交互，通訊協(xié)議規(guī)定了一種通訊的規(guī)則，類似于人類交流使用的語(yǔ)言。這樣的解釋可能過(guò)于抽象，讓我們舉一個(gè)具體的案例，來(lái)設(shè)計(jì)一款我們自己的通訊協(xié)議。

1.控制開(kāi)關(guān)燈

假設(shè)現(xiàn)在要設(shè)計(jì)一款智能的電燈，分析一下它的功能，最基礎(chǔ)的功能就是開(kāi)關(guān)了，規(guī)定當(dāng)我發(fā)送指令1的時(shí)候就打開(kāi)、發(fā)送指令0的時(shí)候關(guān)閉。最簡(jiǎn)單的協(xié)議就是這個(gè)樣子：

• 指令功能：開(kāi)燈

2.控制多盞燈

這款電燈是集中控制的，也就是說(shuō)一個(gè)控制器要同時(shí)控制很多盞燈，那么我們就要為燈編碼了。0代表所有的燈；1代表第一盞；2代表第二盞等等…… 以此類推，現(xiàn)在協(xié)議就變成了這樣：

• 指令功能：打開(kāi)第三盞燈

3.控制燈的明暗程度

這款電燈不僅僅有開(kāi)關(guān)，還能連續(xù)的調(diào)節(jié)亮度。那么我們規(guī)定0至100分別對(duì)應(yīng)0%到100%亮度，這里又遇到一個(gè)問(wèn)題:如何區(qū)分一條指令是調(diào)節(jié)亮度還是調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)呢？

為了區(qū)分還要定義這條指令的功能碼：01代表調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)、02代表調(diào)節(jié)亮度，現(xiàn)在協(xié)議就變成了這樣：

• 指令功能：打開(kāi)第三盞燈

• 指令功能：將第三盞燈的亮度調(diào)節(jié)至50%

4.讀取光照傳感器的值

繼續(xù)增加功能，如果這套控制系統(tǒng)中還有一個(gè)光照傳感器，控制器需要從中讀出現(xiàn)在的環(huán)境亮度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有燈的自動(dòng)控制。這里就是一個(gè)讀的指令，區(qū)別于上面的指令新定義個(gè)功能碼：03代表讀取光照傳感器的亮度，同樣用0-100表示最小-最大量程：

• 指令功能：讀環(huán)境亮度

傳感器收到數(shù)據(jù)后將結(jié)果返回：

• 指令功能：傳感器返回

以上就是通訊協(xié)議的基本思路，像這樣我們自己設(shè)計(jì)的協(xié)議由于不是通用的，我們稱之為私有協(xié)議。私有協(xié)議能實(shí)現(xiàn)我們系統(tǒng)里想要的功能，只要在主站（Master）和從站（Slave）之間預(yù)先規(guī)定好通訊的規(guī)則即可進(jìn)行通訊。

但是從上面可以看出，經(jīng)常為了增加一個(gè)設(shè)計(jì)之初沒(méi)有想到的功能就導(dǎo)致整個(gè)協(xié)議發(fā)生巨大的變化，非常不利于后續(xù)升級(jí)，而且私有協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行通訊，此時(shí)我們就需要一個(gè)通用的，能實(shí)現(xiàn)大部分場(chǎng)合的通訊協(xié)議。

Modbus通訊協(xié)議數(shù)據(jù)幀

Modbus協(xié)議是一主多從設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主站，采取一問(wèn)一答的方式進(jìn)行通信，從站不能與從站直接通信。實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的通信情況例如多主站等需要使用Modbus網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其中可能運(yùn)行不止一套Modbus協(xié)議，這種情況我們以后再詳細(xì)講解。

Modbus有兩種串行通訊模式，ASCII Mode 和RTU Mode，這里重點(diǎn)介紹最常用的RTU模式。RTU模式是將數(shù)據(jù)直接以16進(jìn)制的方式以串口傳輸，一個(gè)完整的RTU數(shù)據(jù)幀包含以下內(nèi)容：

數(shù)據(jù)幀格式：

既然是一問(wèn)一答那么就有發(fā)送幀和返回幀，返回幀和發(fā)送幀的格式是一樣的，返回幀需要重復(fù)從站地址、功能碼等信息。對(duì)于寫(xiě)入類指令數(shù)據(jù)位返回操作成功、失敗的狀態(tài)，對(duì)于讀取類指令數(shù)據(jù)位返回需要讀取的數(shù)據(jù)。

• 地址： 為了區(qū)分不同的設(shè)備為每一個(gè)設(shè)備分配了一個(gè)地址0-127，0代表主站（Master），1-127分別代表每一個(gè)從站（Slave）。

• 功能碼： 既然定義了4類寄存器，就要有對(duì)應(yīng)的功能碼來(lái)操作各個(gè)寄存器的讀寫(xiě)，所以就有4類功能碼分別對(duì)應(yīng)寄存器的讀寫(xiě)操作。要注意的是 開(kāi)關(guān)量輸入寄存器 和 模擬量輸入寄存器 是 只讀寄存器不可以進(jìn)行寫(xiě)操作。

• 校驗(yàn)： 既然是通用的通訊協(xié)議，就要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如何保證收到的數(shù)據(jù)就是主站發(fā)出的呢？Modbus協(xié)議使用的是 CRC16循環(huán)冗余校驗(yàn) ，不要被他的名字嚇到，就是通過(guò)一種特定的規(guī)則計(jì)算生成的數(shù)據(jù)幀，把計(jì)算結(jié)果放在最后兩個(gè)字節(jié)，接收方收到數(shù)據(jù)幀之后重新計(jì)算一遍，與幀的最后兩位做比較，如果結(jié)果一致說(shuō)明收到的幀是完整正確的，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)誤，不執(zhí)行。

Modbus通訊協(xié)議寄存器

既然要實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備通用，就不能按功能來(lái)區(qū)分。Modbus將設(shè)備要通訊的功能抽象成了寄存器。寄存器分為四類：

• 控制電燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的，由主站向從站下發(fā)開(kāi)關(guān)量指令，叫做 線圈狀態(tài) (Coil Status)，這是個(gè)翻譯過(guò)來(lái)的名字說(shuō)著很拗口而且不便于理解，按照中文的習(xí)慣我們稱之為開(kāi) 關(guān)量輸出寄存器 簡(jiǎn)稱 DO （Digital Output）。

• 讀取墻壁開(kāi)關(guān)狀態(tài)的，由主站讀取從站開(kāi)關(guān)量指令，叫做 輸入狀態(tài) （Input Status），我們稱之為 開(kāi)關(guān)量輸入寄存器 簡(jiǎn)稱 DI （Digital Input）。

• 控制電燈明暗程度的，由主站下發(fā)模擬量指令，叫做 保持寄存器（Holding Registers），我們稱之為 模擬量輸出寄存器簡(jiǎn)稱AO（Analog Output）。

• 讀取環(huán)境光照程度的，由主站讀取模擬量指令，叫做 輸入寄存器（Input Registers），我們稱之為 模擬量輸入寄存器簡(jiǎn)稱AI（Analog Input）。

每一類寄存器用兩個(gè)字節(jié)代表寄存器編號(hào)，0x0000-0xFFFF（十六進(jìn)制表示）或0-65535（十進(jìn)制表示）。

Modbus協(xié)議最主要的任務(wù)就是保證主站與從站各個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)同步

Modbus協(xié)議常用功能碼與寄存器對(duì)應(yīng)關(guān)系

如何分析一幀數(shù)據(jù)的含義：

數(shù)據(jù)幀有以下幾部分組成：從站地址 、功能碼、數(shù)據(jù)位、CRC校驗(yàn)碼。根據(jù)從站地址判斷是廣播幀（00）還是跟某一個(gè)從站通信的幀（01-EF）。再根據(jù)功能碼判斷是操作哪一類寄存器及執(zhí)行什么動(dòng)作。后面緊跟的一般是操作長(zhǎng)度、起始地址等信息；最后兩個(gè)字節(jié)（一個(gè)字節(jié)是8bit）是校驗(yàn)位。這樣就可以分析每一幀數(shù)據(jù)都在執(zhí)行什么動(dòng)作。

海伏科技電源與Modbus協(xié)議結(jié)合

了解到這些我們結(jié)合海伏科技的高壓電源來(lái)介紹各類寄存器的用法：

• 開(kāi)關(guān)量輸出寄存器（DO）：上位機(jī)操作電源狀態(tài)：例如控制電源開(kāi)啟、關(guān)閉等；
• 開(kāi)關(guān)量輸入寄存器（DI）：上位機(jī)讀取電源狀態(tài)：例如上位機(jī)查詢電源是否開(kāi)啟高壓、充電有沒(méi)有結(jié)束等；
• 模擬量輸出寄存器（AO）：上位機(jī)操作電源模擬量部分：例如設(shè)定電壓、電流等；
• 模擬量輸入寄存器（AI）：上位機(jī)讀取電源模擬量部分：例如讀取當(dāng)前電壓值、電流值等；

海伏科技的每款支持通信的電源產(chǎn)品都會(huì)配備Modbus協(xié)議說(shuō)明，指明了上述每一個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)的功能，操作時(shí)只需要向相應(yīng)的寄存器中寫(xiě)入值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電源的控制。

總結(jié)

本文只是簡(jiǎn)單介紹Modbus協(xié)議及學(xué)習(xí)方法，讓初學(xué)者對(duì)Modbus協(xié)議有一個(gè)框架性的認(rèn)識(shí)。具體每一種功能碼對(duì)應(yīng)的幀格式由于篇幅關(guān)系這里就不一一介紹了，可以查看擴(kuò)展閱讀中的原版協(xié)議詳細(xì)了解。