图文详解Modbus-RTU协议
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2021-08-28 11:49
前世今生
Modbus RTU（Remote Terminal Unit 远程终端单元）：这种方式常采用RS-485做为物理层，一般利用芯片的串口实现数据报文的收发，报文数据采用二进制数据进行通信。 Modbus ASCII ：报文使用 ASCII 字符。ASCII 格式使用纵向冗余校验和。Modbus ASCII 报文由冒号 (":")开始 和换行符 (CR/LF) 结尾构成。
Modbus TCP/IP 或 Modbus TCP ：这是一种 Modbus 变体版本，使用 TCP/IP 网络进行通信，通过 502 端口进行连接。报文不需要校验和计算，因为以太网底层已经实现了CRC32 数据完整性校验。 Modbus over TCP/IP 或 Modbus over TCP 或 Modbus RTU/IP :这也是一种 Modbus 变体，与 Modbus TCP 的不同之处在于，与 Modbus RTU 一样，校验和包含在报文中。 Modbus UDP：也有在UDP上传输Modbus报文的，不过需要做错误重传机制，这么干的应该不多。
Modbu标准
概况
RS-485：半双工收发接口，这是最为常用的modbus物理层，信号采用差分电平编码，用一对双绞线现场布线，抗干扰性能也不错 RS-422：全双工收发接口，这种物理层也有比较多的应用，信号采用差分电平编码，需要两对双绞线现场布线，抗干扰性能也不错。与RS-485相比，其优势在于可以实现全双工，通信的效率高些，所需要的代价就是现场布线需要两对双绞线，增加了一定的成本。 RS-232：全双工收发接口，这个基本用在点对点通信场景下，不适合多点拓扑连接，采用共模电平编码，一般需要Rxd/Txd/Gnd三根线连接。
链路层
单播与广播
单播(unicast): 报文中的地址字段指定所需要访问的设备，该设备收到请求后作出对应的应答。
广播(Broadcast)：主站向总线所有设备发出广播报文，所有从设备都不做应答，报文中地址为0则为广播请求:
寻址
地址0：广播地址，所有的从设备必须处理广播报文。 1-247：从设备地址，主设备是没有地址的，这一点需要注意。 248-255：保留地址
报文结构
地址：取值范围是0-247，如果是0，就是主站广播报文；如果是1-247，则有可能是主站请求或者从站应答。 功能码：也就是报文命令，代表主站对从站的操作，读或者写 数据：数据字段，主请求报文，从应答报文会有所差异。也就是说假设抓取总线报文，如何区分是主站请求还是从站应答，则需要通过数据字段进行区分了。 CRC校验：采样CRC16，16位循环冗余校验。
主站状态机
空闲：主设备处于空闲态。如果此时应用程序需要发送一个从设备请求，就会切换到等待应答状态；如果此时应用需要发送总线广播，此时，主设备就切换到广播延时。 等待应答：在等待应答状态时，主设备将等待来自从设备的应答报文，如果接收到从站的报文，则进入应答处理。如果等待超时则进入错误处理状态机；在等待过程中，状态机不发生迁移。 广播延时：如果主设备需要发送广播报文，则发送完就进入广播延时状态。这里为什么要延时呢？延时的设计目的就是留给从设备一点时间去处理接收到的广播请求。如果主设备没有这个延时，那么如果应用马上在发一个请求，则从设备有可能来不及处理。但是从设备只做接收处理，任何从设备都不可以对广播报文进行应答。
从站状态机
字节编码格式
介质管理
static unsigned char auchCRCHi[] = {
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0,
0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01,
0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81,
0x40 } ;
static char auchCRCLo[] = {
0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4,
0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09,
0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD,
0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,
0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7,
0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A,
0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE,
0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,
0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2,
0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F,
0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB,
0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,
0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91,
0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C,
0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88,
0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,
0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80,
0x40 };
unsigned short CRC16 ( unsigned char *puchMsg, unsigned short usDataLen )
{
unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; /* 高字节初始化值 */
unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; /* 低字节初始化值 */
unsigned uIndex ;
while (usDataLen--)
{
uIndex = uchCRCLo ^ *puchMsg++ ;
uchCRCLo = uchCRCHi ^ auchCRCHi[uIndex] ;
uchCRCHi = auchCRCLo[uIndex] ;
}
return (uchCRCHi << 8 | uchCRCLo) ;
}
应用层
Client/Server模型
无错误：Client(主站)向从站发出请求，Server(从站)执行命令请求的操作，然后发送应答给Client(主站)，这里的操作，有可能是读取参数，设置参数，或者执行某个动作，具体取决于产品怎么设计。 有错误：Client(主站)向从站发出请求，Server(从站)检测到错误，然后发送异常应答给Client(主站)。这里的错误，有可能是读取失败，寄存器地址非法，写失败，执行动作失败等。
数据模型
Modbus命令
总结一下
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