Modbus是什么?

Modbus协议,从字面理解它包括ModBus两部分,首先它是一种bus,即总线协议,和I2C、SPI类似,总线就意味着有主机,有从机,这些设备在同一条总线上。

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Modbus支持单主机,多个从机,最多支持247个从机设备。关于Mod,因为这种协议最早被用在PLC控制器中,准确的说是Modicon公司的PLC控制器,这也是Mod-Bus名称的由来。

后来Modicon被施耐德(Schneider)收购,Modbus协议广泛应用在工业控制器、HMI和传感器上,逐渐被其他厂商所接受,成为了一种主流的通讯协议,用于和外围设备进行通讯。

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Modbus网络体系

Modbus在7层OSI参考模型中属于第七层应用层,数据链路层有两种:基于标准串口协议和TCP协议,物理层可使用3线232、2线485、4线422,或光纤、网线、无线等多种传输介质。

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ISO/OSI模型

Modbus协议是一种请求/应答方式的交互过程,主机主动发起通讯请求,从机响应主机的请求,从机在没有收到主机的请求时,不会主动发送数据,从机之间不会进行通讯。

就像是男生追女生一样,男生要主动出击,女生才会给你响应,不能等着女生主动搭讪你。

目前比较权威的Modbus官方标准文档有两个:

  • modbus_application_protocol_specification_v1.1b3.pdf
  • 基于Modbus协议的工业自动化网络规范 GB-T19582.1-2008.pdf

可以说90%的书籍和网络资料都是翻译自这两篇文档,文末获取标准文档下载方法

4种数据类型

Modbus协议规定,进行读写操作的数据类型,按照读写属性和类型可分为以下4种:

  • 离散量输入(Discretes Input  ):1位,只读
  • 线圈(Coils):1位,读写
  • 输入寄存器(Input Registers  ):16位,只读
  • 保持寄存器(Holding Registers):16位,读写
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Modbus数据类型

3种传输模式

1979年,Modicon 首先推出了串行Modbus标准,后来由于网络的普及,需要更高的传输速度,1997年制定了基于TCP网络的Modbus标准。

所以总的可分为两个传输模式:基于串行链路的和基于以太网TCP/IP的。但是我个人还是习惯分为3种传输模式:

  • 基于串口的Modbus-RTU数据按照标准串口协议进行编码,是使用最广泛的一种Modbus协议,采用CRC-16_Modbus校验算法。
  • 基于串口的Modbus-ASCII所有数据都是ASCII格式,一个字节的原始数据需要两个字符来表示,效率低,采用LRC校验算法。
  • 基于网口的Modbus-TCPModbus-TCP基于TCP/IP协议,占用502端口,数据帧主要包括两部分:MBAP(报文头)+PDU(帧结构),数据块与串行链路是一致的。

所以当我们提及Modbus协议时,要确定是哪种模式:RTU、ASCII或TCP,3种模式区别还是很大的。

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Modbus传输模式应用

有些设备支持多种Modbus模式,有些设备只支持其中一种,比如最常用的PLC S7-200只支持Modbus RTU协议,不支持Modbus ASCII协议,Modbus总线上所有的设备传输模式必须相同

实际使用要根据设备使用手册来选择采用哪种模式。

3类功能码

Modbus功能码,是写在主机请求数据帧中的,决定主机进行读还是写操作,是读线圈、离散量还是寄存器,是写单个寄存器还是多个寄存器等等,决定主机请求什么类型的数据。

主要包括3类功能码:公共功能码、用户定义功能码和保留功能码

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Modbus功能码

实际最常用的是公共功能码中的4个功能码:03/04/06/10

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公共功能码
  • 0x03:读多个保持寄存器
  • 0x04:读输入寄存器
  • 0x06:写单个保持寄存器
  • 0x10:写多个保持寄存器

因为PLC主要控制的是继电器触点,所以在PLC上还会经常对线圈(Coils)进行读写。

这里需要特别注意的一点是:写保持寄存器,需要区分0x06写单个寄存器和0x10写多个寄存器,而读保持寄存器不区分读单个和读多个,当需要读单个保持寄存器时,也是使用0x03指令,指定读取数量为1。

数据帧格式

无论是3种传输模式中的哪一种,Modbus帧格式都是一样的:

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Modbus数据帧

主要包括:

  • 地址域:1字节,即从机设备地址,通常1-247为有效地址,0为广播地址
  • 功能码:1字节,表明主机请求数据的类型。
  • 数据:N字节,包含寄存器地址和寄存器数据等。
  • 差错校验:对数据进行冗余校验的结果,CRC或LRC

下面来详细介绍一下每种传输模式的数据帧格式。

Modbus-RTU数据帧

Modbus-RTU数据帧,帧长度最大为256字节,由以下4部分构成:

  1. 子节点地址:1字节,范围0-247
  2. 功能代码:1字节
  3. 数据块:0-252字节
  4. CRC校验值:2字节,低8位在前
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ModbusRTU数据帧格式

Modbus-RTU帧间隔,Modbus-RTU要求两个RTU报文帧间隔要大于3.5个字节时间:

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ModbusRTU帧间隔

且每个报文帧内字节间隔小于1.5个字节时间,否则会认为接收不完整。

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ModbusRTU帧内字符间隔

Modbus-RTU采用循环冗余校验 (CRC – Cyclical Redundancy Checking) 算法对报文帧全部数据进行计算,得到的校验值附加在报文帧末尾,低位在前。CRC-16_Modbus计算方法可以参考:CRC-16_Modbus校验算法

实际请求/应答交互示例:

示例1:写单个寄存器。向01地址设备0x0105保持寄存器写入1个数据:0x0190

主机发送: 01 06 01 05 01 90 99 CB
从机回复: 01 06 01 05 01 90 99 CB

01表示从机地址,06功能码表示写单个保持寄存器,0105表示寄存器地址,0190表示写入寄存器的数值,99CB为CRC校验值。可以看出,当写1个寄存器数据时,从机响应的数据帧和主机发送的数据帧完成一致。

示例2:写多个寄存器。向01地址设备0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器,写入3个寄存器数据:0x1102, 0x0304, 0x0566

主机发送:01 10 01 05 00 03 06 11 02 03 04 05 66 4a 12
从机回复:01 10 01 05 00 03 91 f5

同理,01从机地址,10功能码表示写多个保持寄存器,0105表示起始地址,0003表示写3个寄存器,06表示数据量为6个字节,1102/0304/0566分别表示写入3个寄存器的数值,4a12表示CRC校验数值。

可以看出,写多个寄存器时使用10功能码,从机回复数据也比较精简。

示例3:读单个寄存器。读01地址设备0x0105保持寄存器数据。

主机发送:01 03 01 05 00 01 95 f7
从机回复:01 03 02 56 78 87 c6

03表示读多个寄存器,0105表示起始地址,0001表示读1个寄存器

02表示2个字节,56 78表示寄存器的数据。

示例4:读多个寄存器。读01地址设备0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器,共3个寄存器数据。

主机发送:01 03 01 05 00 03 14 36
从机回复:01 03 06 11 22 33 44 55 66 2a 18

03表示读多个寄存器,0105表示起始地址,0003表示读3个寄存器

06表示6个字节,11 22 33 44 55 66表示寄存器的数据。

Modbus-ASCII数据帧

Modbus-ASCII传输模式中,每个字节均以ASCII编码,实际报文中1个字节会以两个ASCII字符发送,因此这种模式比Modbus-RTU模式效率要低。

例如报文数据0x5B = "5" + "B" = 0X35 + 0X42

数据帧格式如下:

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ModbusASCII报文帧

从ASCII报文帧可以看出,ASCII模式增加了帧起始(“:”)和帧结束标志(回车&换行),由于报文数据每个字节在ASCII模式下需要2个字符进行编码,为了保证ASCII模式和RTU模式在应用级兼容,ASCII模式数据块最大长度为252×2,所以可以计算出报文帧最大长度为1+2+2+2×252+2+2=513字符,报文帧内的字符间隔时间可以达1秒钟。

Modbus-ASCII模式校验方法采用的是纵向冗余校验 (LRC – Longitudinal Redundancy Checking) 算法,校验内容不包括帧起始和帧结束字符。

计算方法也比较简单,对校验内容进行累加和计算,忽略进位,并转换为二进制补码:

例如Modbus-ASCII模式,主机发送请求,向地址为1的从设备的0x405地址,写入数值0x1234,报文如下:

:010604051234AA<CR><LF>

即:

: 01 06 04 05 12 34 AA <CR><LF>

可以看到01表示设备地址,06表示写单个保持寄存器。地址为0x0405,数据为0x1234,LRC校验值为0xAA。实际进行校验的数据不包含帧头和帧尾。

0xAA = LRC(01, 06, 04, 05, 12, 34)。

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LRC校验(纵向冗余校验)

手动LRC计算方法:

把原始数据两个字符组成一个字节,并进行二进制加法计算:01+06+04+05+12+34=0x56,计算二进制补码:

0x56 = 0101 0110
  取反:1010 1001
  加1: 1010 1010 = 0xAA
或者:0x100-0x56 = 0xAA

Modbus-TCP数据帧

Modbus-TCP基于4种报文类型:

  • MODBUS 请求是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文
  • MODBUS 证实是在客户端接收的响应信息
  • MODBUS 指示是服务端接收的请求报文
  • MODBUS 响应是服务器发送的响应信息

Modbus-TCP报文帧:

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ModbusTCP报文帧

更多的细节内容,可以在国标《GB-T19582.1-2008 第3部分:Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》查看。

两种请求模式

Modbus协议中主机可以以两种模式对从机设备发出请求:单播和广播。

单播模式

在单播模式下,从机地址必须唯一,地址范围1-247。主机以特定地址访问指定的某个从机,发出一个请求数据帧,这个数据帧功能可以是读取或写入数据,从机接收到并处理完成后,会回报一个应答数据帧,以表示读取或写入成功。

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单播模式

广播模式

在广播模式下,主机向所有的从机发出请求数据帧,所有的从机都会处理这条命令,对于广播请求,所有的从机无需做出应答操作。一般地址0表示广播地址。

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广播模式

但也有一些特殊的设备采用0xFE作为广播地址,以一款气体传感器数据手册为例,以0xFE作为广播地址,来进行设备地址修改:

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某传感器广播地址

所以要以实际设备的使用手册为准。

Modbus地址规则

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地址规则

Modbus扩展版本

Modbus 是使用异步传输的方式,速度较慢,应用上有其限制,尤其当两台 PLC 要互相交换资料,其传输资料量大,异步方式已经无法满足整体系统反应时间的要求。所以就有 Modbus Plus 出现,使用同步传输的技术,资料格式与 Modbus 一样,此协议是Modicon专有的,和Modbus不同,它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线,并且每个节点都有转换隔离设备,是一种采用边沿触发而不是电平触发的设备。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口,通常是支持ISA(SA85),PCI或者PCMCIA总线的板卡。

官方标准文档下载

目前比较权威主要有以下2个标准文档:

  1. Modbus组织2012年4月发布的:modbus_application_protocol_specification_v1.1b3.pdf
  2. 国家标准基于Modbus协议的工业自动化网络规范 GB-T19582.1-2008.pdf,主要包括3部分
  • GB-T19582.1-2008第1部分:Modbus应用协议
  • GB-T19582.1-2008第2部分:Modbus协议在串行链路上的实现指南
  • GB-T19582.1-2008第3部分:Modbus协议在TCP/IP上的实现指南

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