MODBUS 协议原理.docx

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MODBUS协议原理

第一章

Modbus协议

□介绍Modbus协议介绍□两种串行传输模式□信息帧□错误检查方法

Modbus协议介绍

Modbus可编程控制器之间可相互通讯，也可与不同网络上的其他设备进行通讯，支撑网络有Modicon的Modbus和Modbus+工业网络。

网络信息存取可由控制器内置的端口，网络适配器以及Modicon提供的模块选件和网关等设备实现，对OEM（机械设备制造商）来说，Modicon可为合作伙伴提供现有的程序，可使Modbus+网络紧密地集成到他们的产品设计中去。

Modicon的各种控制器使用的公共语言被称为Modbus协议，该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。

当在Modbus网络上进行通讯时，协议能使每一台控制器知道它本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定应起作用的类型，取出包含在信息中的数据和资料等，控制器也可组织回答信息，并使用Modbus协议将此信息传送出去。

在其他网络上使用时，数据包和数据帧中也包含着Modbus协议。

如，Modbus+或MAP网络控制器中有相应的应用程序库和驱动程序，实现嵌入式Modbus协议信息与此网络中用子节点设备间通讯的特殊信息帧的数据转换。

该转换也可扩展，处理节点地址，路由，和每一个特殊网络的错误检查方法。

如包含在Modbus协议中的设备地址，在信息发送前就转换成节点地址，错误检查区也用于数据包，与每个网络的协议一致，最后一点是需用Modbus协议，写入嵌入的信息，定义应处理的动作。

图1说明了采用不同通讯技术的多层网络中设备的互连方法。

在信息交换中，嵌入到每个网络数据包中的Modbus协议，提供了设备间能够交换数据的公共的语言。

984A/B

和

S985

AT/HC-984

和

HOST/MMHI

AT/HC-984

和

HOST/MMHI

（去MB+）

S980（去MAP）

编程器

4个Modus设备或网络

图1：

Modbus协议应用示意图

*MB+为Modbus

Modbus上的数据传输

Modicon控制器上的标准Modbus端口是使用一个RS-232兼容的串行接口，定义了连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验，控制器可直接或通过调制解调器（以后简称Modems）接入总线（网络）。

控制器通讯使用主从技术，即主机能起动数据传输，称查询。

而其它设备（从机）应返回对查询作出的响应，或处理查询所要求的动作。

典应的主机设备应包括主处理器和编程器。

典应的从机包括可编程控制器。

主机可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应。

从机对于主机的广播查询，无响应返回Modbus协议报据设备地址，请求功能代码，发送数据，错误校验码，建立了主机查询格式，从机的响应信息也用Modbus协议组织，它包括确认动作的代码，返回数据和错误校验码。

若在接收信息时出现一个错误或从机不能执行要求的动作时，从机会组织一个错误信息。

并向主机发送作为响应。

在其它总线上传输数据

除标准的Modbus功能外，有些Modcon控制器内置端口或总线适配器，在Modbus+总线上实现通讯或使用网络适配器，在MAP网络上通讯。

在这些总线上，控制器间采用对等的技术进行通讯，即任意一个控制器可向其它控制器启动数据传送。

因此，一台控制器既可作为从机，也可作为主机，常提供多重的内部通道，允许并列处理主机和从机传输数据

在信息级，尽管网络通讯方法是对等的，但Modbus协议仍采用主从方式，若一台控制器作为主机设备发送一个信息，则可从一台从机设备返回一个响应，类似，当一台控制器接受信息时，它就组织一个从机设备的响应信息，并返回至原发送信息的控制器。

8位

数据字节

错误校验

功能代码

8位

数据字节

设备地址

功能代码

设备地址

主机查询信息

查询响应周期：

错误校验

从机响应信息

图2：

主从查询响应周期

查询：

查询中的功能代码为被寻址的从机设备应执行的动作类型。

数据字节中包含从机须执行功能的各附加信息，如功能代码03将查询从机，并读保持寄存器。

并用寄存器的内容作响应。

该数据区必须含有告之从机读取寄存器的起始地址及数量，错误校验区的一些信息，为从机提供一种校验方法，以保证信息内容的完整性。

响应：

从机正常响应时，响应功能码是查询功能码的应答，数据字节包含从机采集的数据，如寄存器值或状态。

如出现错误，则修改功能码，指明为错误响应。

并在数据字节中含有一个代码，来说明错误，错误检查区允许主机确认有效的信息内容。

两种串行传输模式

控制器可使用ASCII或RTU通讯模式，在标准Modbus上通讯。

在配置每台控制器时，用户须选择通讯模式以及串行口的通讯参数。

（波特率，奇偶校验等），在Modbus总线上的所有设备应具有相同的通讯模式和串行通讯参数。

选择ASCII或RTU模式用于标准的Modbus总线。

它定义了总线上串行传输信息区的“位”的含义，决定信息打包及解码方法。

如在MAP和Modbus+总线上时，Modbus信息以帧的方式出现，并与串行传输无关，如请求读保持寄存器可以在Modbus+上的两个控制器之间处理，而与使用的控制器的Modbus端口无关。

ASCII模式

当控制器以ASCII模式在Modbus总线上进行通讯时，一个信息中的每8位字节作为2个ASCII字符传输的，这种模式的主要优点是允许字符之间的时间间隔长达IS，也不会出现错误。

ASCII码每一个字节的格式：

编码系统：

16进制，ASCII字符0-9,A-F1个16进制

数据位：

1起始位7位数据，低位先送奇/偶校验时1位；无奇偶校验时0位

（LRC）1位带校验1停止位；无校验2止位

错误校验区：

纵向冗余校验

RTU模式

控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCII模式，每个信息必须连续传输。

RTU模式中每个字节的格式：

编码系统：

8位二进制，十六进制0-9，A-F

数据位：

1起始位8位数据，低位先送奇/偶校验时1位；无奇偶校验时0位停止位1位（带校验）;停止位2位（无校验）

带校验时1位停止位；无校验时2位停止位

错误校验区：

循环冗余校验（CRC）

Modbus信息帧

何论是ASCII模式还是RTU模式，Modbus信息以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点，使接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备（广播时对全部设备），以及信息传输的结束时间。

可检测部分信息，错误可作为一种结果设定。

对MAP或Modbus+协议可对信息帧的起始和结束点标记进行处理，也可管理发送至目的地的信息，此时，信息传输中Modbus数据帧内的目的地址已无关紧要，因为Modbus+地址已由发送者或它的网络适配器把它转换成网络节点地址和路由。

ASCII帧

在ASCII模式中，以（:

）号（ASCII3AH）表示信息开始，以回撤一换行键（CRLF）（ASCIIOD和OAH）表示信息结束。

对其它的区，允许发送的字符为16进制字符0-9,A-F。

网络中设备连续检测并接收一个冒号（:

）时，每台设备对地址区解码，找出要寻址的设备。

字符之间的最大间隔为1S,若大于1S，则接收设备认为出现了一个错误。

典型的信息帧见下表

开始

地址

功能

数据

纵向冗余检查

结束

1字符

：

2字符

n字符

2字符

图3ASCII信息帧

例外：

对于584和984A/B/X控制器，一个ASCII信息可在LRC区后正常终止，而不需发送CRLF字符，此时出现>IS的时间间隔，控制器也将认为是正常中断。

RTU帧

RTU模式中，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间（如下图中的T1-T2-T3-T4）。

接着，第一个区的数据为设备地址。

各个区允许发送的字符均为16进制的0-9,A-F。

网络上的设备连续监测网络上的信息，包括静止时间。

当接收第一个地址数据时，每台设备立即对它解码，以决定是否是自己的地址。

发送完最后一个字符号后，也有一个3.5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。

整个信息必须连续发送。

如果在发送帧信息期间，出现大于1.5个字符的静止时间时，则接收设备刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。

同样一个信息后，立即发送的一个新信息，（若无3。

5个字符的静止时间）这将会产生一个错误。

是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。

开始

地址

功能

数据

校验

终止

T1-T2-T3-T4

8B位S

N×8B位S

16B位S

T1-T2-T3T-4

图4RTU信息帧

Modbus信息帧（Continued）

地址设置

信息地址包括2个字符（ASCII）或8位（RTU），有效的从机设备地址范围0-247,（十进制），各从机设备的寻址范围为1-247。

主机把从机地址放入信息帧的地址区，并向从机寻址。

从机响应时，把自己的地址放入响应信息的地址区，让主机识别已作出响应的从机地址。

地址0为于广播地址，所有从机均能识别。

当Modbus协议用于高级网络时，则不允许广播或其它方式替代。

如Modbus+使用令牌循环，自动更新共享的数据库。

功能码设置

信息帧功能代码包括字符（ASCII）或8位（RTU）。

有效码范围1-225（十进制），其中有些代码适用全部型号的Modicon控制器，而有些代码仅适用于某些型号的控制器。

还有一些代码留作将来使用，有关功能代替码的设置将在第2章说明。

当主机向从句发送信息时，功能代码向从机说明应执行的动作。

如读一组离散式线圈或输入信号的ON/OFF状态，读一组寄存器的数据，读从机的诊断状态，写线圈（或寄存器），允许下截、记录、确认从机内的程序等。

当从机响应主机时，功能代码可说明从机正常响应或出现错误（即不正常响应），正常响应时，从句简单返回原始功能代码；不正常响应时，从机返回与原始代码相等效的一个码，并把最高有效位设定为“1”。

如，主机要求从机读一组保持寄存器时，则发送信息的功能码为：

00000011（十六进制03）

若从机正确接收请求的动作信息后，则返回相同的代码值作为正常响应。

发现错时，则返回一个不正常响信息：

10000011（十六进制83）

从机对功能代码作为了修改，此外，还把一个特殊码放入响应信息的数据区中，告诉主机出现的错误类型和不正常响应的原因。

主机设备的应用程序负责处理不正常响应，典型处理过程是主机把对信息的测试和诊断送给从机，并通知操作者。

数据区的内容

数据区有2个16进制的数据位，数据范围为00-FF（16进制），根据网络串行传输的方式，数据区可由一对ASCII字符组成或由一个RTU字符组成。

主机向从机设备发送的信息数据中包含了从机执行主机功能代码中规定的请求动作，如离散量寄存器地址，处理对象的数目，以及实际的数据字节数等。

举例说明，若主机请求从机读一组寄存器（功能代码03），该数据规定了寄存器的起始地址，以及寄存器的数量。

又如，主机要在一从机中写一组寄存器，（则功能代码为10H）。

该数据区规定了要写入寄存区的起始地址，寄存器的数量，数据的字节数，以及要写入到寄存器的数据。

若无错误出现，从机向主机的响应信息中包含了请求数据，若有错误出现，则数据中有一个不正常代码，使主机能判断并作出下一步的动作。

数据区的长度可为“零”以表示某类信息，如，主机要求-从机响应它的通讯事件记录（功能代码OBH）。

此时，从机不需要其他附加的信息，功能代码只规定了该动作。

信息帧错误校验

标准Modbus总线，有两类错误检查方法，错误检查区的内容按使用的错误检查方法填写。

SDCII

使用ASCII方式时，错误校验码为2个ASCII字符，错误校验字符是LRC校验结果。

校验时，起始符为（：

）冒号结束符为CRLF字符。

RTU

使用RTU方式时，错误校验码为一个16位的值，2个8位字节。

错误校验值是对信息内容执行CRC校验结果。

CRC校验信息帧是最后的一个数据，得到的校验码先送低位字节，后送高位字节，所以CRC码的高位字节是最后被传送的信息。

串行传送信息

在标准的Modbus上传送的信息中，每个字符或字节，按由左向右的次序传送：

带奇偶校验

最低有效位：

（LSB）最高有效位：

（MSB）ASCII数据帧位序：

无奇偶校验

图5ASCII位序

RTU数据帧位序:

带奇偶校验

无奇偶校验

图6RTU位序错误校验方法

标准的Modbus串行通讯网络采用两种错误校验方法，奇偶校验（奇或偶）可用于校验每一个字符，信息帧校验（LRC或CRC）适用整个信息的校验，字符校验和信息帧校验均由主机设备产生，并在传送前加到信息中去。

从机设备在接收信息过程中校验每个字符和整个信息。

主机可由用户设置的一个预定时间间隔，确定是否放弃传送信息。

该间隔应有足够的时间来满足从机的正常响应。

若主机检测到传输错误时，则传输的信息无效。

从机不再向主机返回响应信息。

此时，主机会产生一个超时信息，并允许主机程序处理该错误信号。

注意：

主机向实际并未存在的从机发送信息时也会引起超时出错信号。

在MAP或Modbus+等其它网骆上使用时，采用比Modbus更高一级的数据帧校验方法。

在这些网络中，不再运用Modbus中的LRC或CRC校验方法。

当出现发送错误时，网络中的通讯协议通知发送设备有错误出现，并允许根据设置的情况，重试或放弃信息发送。

若信息已发送，但从机设备未作响应，则主机通过程序检查后发出一个超时错误。

奇偶校验

用户可设置奇偶校验或无校验，以此决定每个字符发送时的奇偶校验位的状态。

何论是奇或偶校验，它均会计算每个字符数据中值为“1”的位数，ASCII方式为位数据；RTU方式为8位数据。

并根据“1”的位数值（奇数或偶数）来设定为“0”或“1”

如一个RTU数据帧中8位数据位为：

11000101

在该帧中，值为“1”的总位数为4，即偶数。

如采用奇校验方式时，则“1”的总位数为奇数，即5。

发送信息时，计算奇偶位，并加到数据帧中，接收设备统计位值为“1”的数量，若与该设备要求的不一致时产生一个错误。

在Modbus总线上的所有设备必须采用相同的奇偶校验方式。

注意：

奇偶校验只能检测到数据帧在传输过程中丢失奇数“位”时才产生的错误。

如采用奇数校验方式时，一个包含3个“1”位的数据丢失2个“1”位时，其结果仍然是奇数。

若无奇偶校验方式时，传输中不作实际的校验，应附加一个停止位。

LRC校验

ASCII方式时，数据中包含错误校验码，采用LRC校验方法时，LRC校验信息以冒号“:

”开始，以CRLF字符作为结束。

它忽略了单个字符数据的奇偶校验的方法。

LRC校验码为1个字节，8位二进制值，由发送设备计算LRC值。

接收设备在接收信息时计算LRC校验码。

并与收到的LRC的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误。

在梯形图中，CKSM函数可计算数据信息中LRC的校验。

用于主计算机时请查阅附录C中的一个实例，它详细说明LRC的校验的过程。

错误校验方法CRC校验

RTU方式时，采用CRC方法计算错误校验码，CRC校验传送的全部数据。

它忽略信息中单个字符数据的奇偶校验方法。

CRC码为2个字节，16位的二进制值。

由发送设备计算CRC值，并把它附到信息中去。

接收设备在接收信息过程中再次计算CRC值并与CRC的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于CRC处理。

起始位，停止位和校验位不参与CRC计算。

CRC校验时，每个8位数据与该寄存器的内容进行异或运算，然后向最低有效位（LSB）方向移位，用零填入最高有效位（MSB）后，再对LSB检查，若LSB=1，则寄存器与预置的固定值异或，若LSB=0，不作异或运算。

重复上述处理过程，直至移位8次，最后一次（第8次）移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。

全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值为CRC值。

CRC值附加到信息时，低位在先，高位在后。

在梯形图中，CKSM函数计算信息中的CRC值。

用于主计算机时，可查阅附录C中的一个实例，它详细说明了CRC的校验。

第二章数据和控制功能

❒Modbus功能代码格式

❒Modbus功能代码总结

❒Modbus功能代码说明

功能代码格式

数字值表达

若无特殊说明在此节文中用＋进制值表示，图中的数据区则用十六进制表示。

Modbus信息中的数据地址

Modbus信息中的所有数据地址以零作为基准，各项数据的第一个数据地址的编号为0如：

❒在可编程控制器中“coil1”在Modbus信息中其地址值表示为0000

❒Coil127（十进制）在Modbus信息中则为007EH（126十进制）

❒保持寄存器40001，在信息中数据地址为寄存器0000。

功能代码区为保持寄存器类型规定的操作，因此，“4XXXX”是缺省的地址类型。

❒保持寄存器40108寻址寄存器地址为006Bhex（＋进制107）

Modbus信息中区内容

图7为一个例子，说明了Modbus的查询信息，图8为正常响应的例子，这两例子中的数据均是16进制的，也表示了以ASCLL或RTU方式构成数据帧的方法。

主机查询是读保持寄存器，被请求的从机地址是06，读取的数据来自地址从40108至401103个保持寄有器。

注意，该信息规定了寄存器的起始地址为0107（006BH）。

从机响应返回该功能代码，说明是正常响应，字节数“Bylecount”中说明有多少个8位字节被返回。

因无论是ASCII方式还是RTU方式，它表明了附在数据区中8位字节的数量。

ASCII方式时，字节数为数据中ASCII字符实际数的一半，每4个位的16进制值需要一个ASCII字符表示，因此在数据中应由2个ASCII字符来表示一个8位的字节。

如RTU方式时，63H用一个字节（01100011）发送，而用ASCII方式时，发送需2个字节，即ASCII“6”（0110110）和ASCII“3”（0110011）。

8个位为一个单位计算“字节数”，它忽略了信息帧用（ASCII或RTU）组成的方法。

字节数使用方法：

当在缓冲区组织响应信息时，“字节数”区域中的值应与该信息中数据区的字节数相等。

QUERY

FieldName

Header

SlaveAddress

Function

StartingAddressHi

StartingAddressLo

No.ofRegistersHi

No.ofRegistersLo

ErrorCheck

Trailer

Example

（Hex）

TotalBytes:

ASCII

Characters

（colon）

LRC（2chars.）

CRLF

RTU

8-BitField

None

00000110

00000011

00000000

01101011

00000000

00000011

CRC（16bits）

None

图8说明“字节数”区在一个贡型响应中的应用。

RESPONSE

FieldName

Header

SlaveAddress

Function

ByteCount

DataHi

DataLo

DataHi

DataLo

DataHi

DataLo

ErrorCheck

Trailer

Example

（Hex）

TotalBytes:

ASCII

Characters

（colon）

LRC（2chars.）

CRLF

RTU

8-BitField

None

00000110

00000011

00000110

00000010

00101011

00000000

01100011

CRC（16bits）

None

图8：

从机采用ASCII/RTU方式响应

Modbus+数据内容

在Modbus+网络发送的Modbus信息应需嵌入到LLC（逻辑连接控制）级数据帧，Modbus信息区由8位字节的数据组成，类似于RTU中的信息组成。

由发送设备把从机地址转换成Modbus+路由地址，CRC数据不在Modbus信息中发送，因为会在更高级的数据链路控制层（HDLC）中进行CRC校验。

其余的信息与原标准格式一致，应用软件（控制器中的MSTR或主机中的ModcomIII）可将这些信息帧组成数据包。

图9示例说明了如何将读寄存器值的请求嵌入到＋Modbus网络的数据帧中。

图9：

Modbus+数据内容

控制器支持的功能代码

下表列出Modicon控制器支持的功能代码：

以十进制表示。

“Y”表示支持“N”表示不支持。

代码名称384484584884M84984

01读线圈状态YYYYYY02读输入状态YYYYYY03读线保持寄存器YYYYYY04读输入寄存器YYYYYY05强制单个线圈YYYYYY06预置单个寄存器YYYYYY07读不正常状态YYYYYY08诊断（见第3章）09程序484NYNNNN10查询484NYNNNN11通讯事件控制YNYNNY12通讯事件记录YNYNNY13程序控制器YNYNNY14查询控制器YNYNNY15强制多个寄存器YYYYYY16预置多个寄存器YYYYYY17报告从机IDYYYYYY18程序884/M84NNNYYN19通讯链路复位NNNYYN20读通用参考值NNYNNY21写通用参考值NNYNNY22MaskWrite4XRegisterNNNNN

（1）23Read/Write4XRegistersNNNNN

（1）24ReadFIFO队列NNNNN

（1）

（1）功能代码仅由984-785控制器支持

01读线圈状态

描述

读从机离散量输出口的ON/OFF状态，不支持广播。

附录B列出由不同控制器型号支持最大的参数清单。

查询

查询信息规定了要读的起始线圈和线圈量，线圈的起始地址为

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