1.基本概念:

MODBUS 是MODICON公司（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）最先倡導的一種軟的通訊規(guī)約，經(jīng)過大多數(shù)公司  的實際應用，逐漸被認可，成為一種標準的通訊規(guī)約，只要按照這種規(guī)約進行 數(shù)據(jù)通訊或傳輸，不同的系統(tǒng)就可以通訊。目前，在RS232/RS485通訊過程中， 更是廣泛采用這種規(guī)約。

常用的MODBUS 通訊規(guī)約有兩種，一種是MODBUS ASCII，一種是MODBUS RTU。 一般來說，通訊數(shù)據(jù)量少而且主要是文本的通訊則采用MODBUS ASCII規(guī)約，通訊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大而且是二進制數(shù)值時，多采用MODBUS RTU規(guī)約。

在實際的應用過程中，為了解決某一個特殊問題，人們喜歡自己修改MODBUS規(guī)約來滿足自己的需要（事實上，人們經(jīng)常使用自己定義的規(guī)約來通訊，這樣能解決問題，但不太規(guī)范）。更為普通的用法是，少量修改規(guī)約，但將規(guī)約格式附在軟件說明書一起，或直接放在幫助中，這樣就方便了用戶的通訊。

2.MODBUS協(xié)議簡述：

ACRXXXE系列儀表使用的是MODBUS-RTU通訊協(xié)議，MODBUS協(xié)議詳細定義了校驗碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。MODBUS協(xié)議在一根通訊線上 使用主從應答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。首先，主計算機的信號尋址到一臺唯一的終端設備（從機），然 后，終端設備發(fā)出的應答信號以相反的方向傳輸給主機。 

MODBUS協(xié)議只允許在主機（PC，PLC等）和終端設備之間通訊，而不允許獨立的終端設備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各終端設備不會在它們初始化時占據(jù)通訊線路，而僅限于響應到達本機的查詢信號。

3.查詢—回應周期：

查詢

查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設備讀保持寄存器并返回它 們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。

回應

如果從設備產(chǎn)生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的數(shù)據(jù)：如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯誤發(fā)生， 功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內(nèi)容是否可用。

4.傳輸方式：

傳輸方式是指一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨立的數(shù)據(jù)結構以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則，下面定義了與MODBUS 協(xié)議– RTU方式相兼容的傳輸方式。 

每個字節(jié)的位： 

·   1個起始位 

·   8個數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送 

·   無奇偶校驗位 

·   1個停止位 

錯誤檢測(Error checking)：CRC（循環(huán)冗余校驗）

5.協(xié)議

當數(shù)據(jù)幀到達終端設備時， 它通過一個簡單的“端口”進入被尋址到的設備，該設備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒有錯誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請求的任務，然后，它將自己 生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請求數(shù)據(jù)(Data)和一個校驗碼(Check)。發(fā)生任何錯誤都不會有成功的響應，或者返回一個錯誤指示幀。

6.數(shù)據(jù)幀格式

7.地址（Address）域

地址域在幀的開始部分，由 一個字節(jié)（8位二進制碼）組成，十進制為0～255，在我們的系統(tǒng)中只使用1~247,其它地址保留。這些位標明了用戶指定的終端設備的地址，該設備將接 收來自與之相連的主機數(shù)據(jù)。每個終端設備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會響應包含了該地址的查詢。當終端發(fā)送回一個響應，響應中的從機地址數(shù)據(jù) 便告訴了主機哪臺終端正與之進行通信。

8.功能（Function）域

功能域代碼告訴了被尋址到的終端執(zhí)行何種功能。下表列出了該系列儀表用到的功能碼，以及它們的意義和功能。

9.數(shù)據(jù)(Data)域

數(shù)據(jù)域包含了終端執(zhí)行特定 功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應查詢時采集到的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容可能是數(shù)值、參考地址或者設置值。例如：功能域碼告訴終端讀取一個寄存器，數(shù)據(jù)域則需要 指明從哪個寄存器開始及讀取多少個數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌的地址和數(shù)據(jù)依照類型和從機之間的不同內(nèi)容而有所不同。

10.錯誤校驗(Check)域

該域允許主機和終端檢查傳 輸過程中的錯誤。有時，由于電噪聲和其它干擾，一組數(shù)據(jù)在從一個設備傳輸?shù)搅硪粋€設備時在線路上可能會發(fā)生一些改變，出錯校驗能夠保證主機或者終端不去響 應那些傳輸過程中發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)，這就提高了系統(tǒng)的安全性和效率，錯誤校驗使用了16位循環(huán)冗余的方法（CRC16）。

11.錯誤檢測的方法

錯誤校驗（CRC）域占用兩個字節(jié)，包含了一個16位的二進制值。CRC值由傳輸設備計算出來，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，接收設備在接收數(shù)據(jù)時重新計算CRC值，然后與接收到的CRC域中的值進行比較，如果這兩個值不相等，就發(fā)生了錯誤。

CRC運算時，首先將一個 16位的寄存器預置為全1，然后連續(xù)把數(shù)據(jù)幀中的每個字節(jié)中的8位與該寄存器的當前值進行運算，僅僅每個字節(jié)的8個數(shù)據(jù)位參與生成CRC，起始位和終止位 以及可能使用的奇偶位都不影響CRC。在生成CRC時，每個字節(jié)的8位與寄存器中的內(nèi)容進行異或，然后將結果向低位移位，高位則用“0”補充，最低位 （LSB）移出并檢測，如果是1，該寄存器就與一個預設的固定值（0A001H）進行一次異或運算，如果最低位為0，不作任何處理。

上述處理重復進行，直到執(zhí)行完了8次移位操作，當最后一位（第8位）移完以后，下一個8位字節(jié)與寄存器的當前值進行異或運算，同樣進行上述的另一個8次移位異或操作，當數(shù)據(jù)幀中的所有字節(jié)都作了處理，生成的最終值就是CRC值。

12.生成一個CRC的流程為：

1、預置一個16位寄存器為0FFFFH（全1），稱之為CRC寄存器。

2 、把數(shù)據(jù)幀中的第一個字節(jié)的8位與CRC寄存器中的低字節(jié)進行異或運算，結果存回CRC寄存器。

3、將CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測。

4 、如果最低位為0：重復第三步（下一次移位）；如果最低位為1：將CRC寄存器與一個預設的固定值（0A001H）進行異或運算。

5、重復第三步和第四步直到8次移位。這樣處理完了一個完整的八位。

6 、重復第2步到第5步來處理下一個八位，直到所有的字節(jié)處理結束。

7、最終CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外還有一種利用預設的表格計算CRC的方法，它的主要特點是計算速度快，但是表格需要較大的存儲空間，該方法此處不再贅述，請參閱相關資料。

13.通訊應用格式祥解

本節(jié)所舉實例將盡可能的使用如圖所示的格式，（數(shù)字為16進制）。

Addr：從機地址

Fun：功能碼

Data start reg hi：數(shù)據(jù)起始地址 寄存器高字節(jié)

Data start reg lo：數(shù)據(jù)起始地址 寄存器低字節(jié)

Data #of reg hi：數(shù)據(jù)讀取個數(shù) 寄存器高字節(jié)

Data #of reg lo：數(shù)據(jù)讀取個數(shù) 寄存器低字節(jié)

CRC16 Hi: 循環(huán)冗余校驗 高字節(jié)

CRC16 Lo: 循環(huán)冗余校驗 低字節(jié) 

14.讀數(shù)據(jù)（功能碼03）

l    查詢數(shù)據(jù)幀

此功能允許用戶獲得設備采集與記錄的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。主機一次請求的數(shù)據(jù)個數(shù)沒有限制，但不能超出定義的地址范圍。

下面的例子是從01號從機讀3個采集到的基本數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)幀中每個地址占用2個字節(jié)）UA、UB、UC，其中UA的地址為0025H, UB的地址為0026H, UC的地址為0027H。

l     響應數(shù)據(jù)幀

響應包含從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)的數(shù)量和CRC錯誤校驗。

下面的例子是讀取UA、UB、UC (UA=082CH，UB=082AH，UC=082CH的響應。

l   錯誤指示碼

如果主機請求的地址不存在則返回錯誤指示碼：FFH。

二、特點

Modbus具有以下幾個特點:

1、標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。 

2、Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。 

3、Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡單。

1 ModBus功能碼

四、傳輸方式

在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息 交換碼），另一種模式是RTU（遠程 終端設備）。

用戶選擇想要的模式，包括 串口通信參數(shù)（ 波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網(wǎng)絡，它定義了在這些網(wǎng)絡上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。在其它網(wǎng)絡上（像MAP和Modbus Plus）Modbus消息被轉(zhuǎn)成與串行傳輸無關的幀。

1.傳輸模式特性：

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortran）編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于 機器語言編程的計算機和PC主機。

用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進制等量值。用以構成 報文的ASCII字符都是十六進制字符。ASCII模式使用的 字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數(shù)據(jù)的譯碼和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產(chǎn)生長達1s的間隔，以適應速度較慢的機器。

控制器能設置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡通信。

2.ASCII模式：

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡上以ASCII（美國標準信息交換代碼）模式通信，一個信息中的每8位字節(jié)作為2個ASCII字符傳輸，如數(shù)值63H用ASCII方式時，需發(fā)送兩個字節(jié)，即ASCII“6"（0110110）和ASCII”3“（0110011），ASCII字符占用的位數(shù)有7位和8位，國際通用7位為多。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1秒而不產(chǎn)生錯誤。

代碼系統(tǒng) 

•  十六進制，ASCII 字符0...9,A...F

• 消息中的每個ASCII字符都是一個十六進制字符組成  每個字節(jié)的位

• 1個起始位  

• 7個 數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送  

• 1個 奇偶校驗位，無校驗則無  1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）  錯誤檢測域  

• LRC(縱向冗長檢測)

3.RTU模式：

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡上以RTU模式通信，在消息中的每個8Bit字節(jié)按照原值傳送，不做處理，如63H，RTU將直接發(fā)送01100011。這種方式的主要優(yōu)點是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，相同波特率下傳輸數(shù)據(jù)的密度要比ASCII高，傳輸速度更快。 

代碼系統(tǒng)  

• 8位二進制， 十六進制數(shù)0...9，A...F  

• 消息中的每個8 位域都是一或兩個十六進制字符組成  

• 每個字節(jié)的位  1個起始位  8個 數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送  

• 1個 奇偶校驗位，無校驗則無  

• 1個停止位（有校驗時），2個Bit（無校驗時）

1.CRC:

CRC域是兩個字節(jié)，包含一16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。 

CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)和當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及 奇偶校驗位均無效。 

CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內(nèi)容相異或（XOR），結果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當前值相異或（XOR）。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。 

CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)。 

CRC-16錯誤校驗程序如下：報文（此處只涉及 數(shù)據(jù)位，不指起始位、停止位和任選的 奇偶校驗位）被看作是一個連續(xù)的二進制，其最高有效位（MSB）首選發(fā)送。報文先與X↑16相乘（左移16位），然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進制數(shù)11000，0000，0000，0101。整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報文（MSB先發(fā)送），成為2個CRC校驗字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設備后再被同一多項式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，會得到一個零余數(shù)（接收設備核驗這個CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運算以2為模（無進位）。 

習慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設備會首選送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情況下，發(fā)送首位應是被除數(shù)的最高有效位MSB。由于在運算中不用進位，為便于操作起見，計算CRC時設MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數(shù)。 

生成CRC-16校驗字節(jié)的步驟如下： 

①裝如一個16位 寄存器，所有數(shù)位均為1。 

②該16位寄存器的高位 字節(jié)與開始8位字節(jié)進行“異或”運算。運算結果放入這個16位寄存器。 

③把這個16寄存器向右移一位。 

④若向右（標記位）移出的數(shù)位是1，則生成多項式10，1000，000，0000，001和這個寄存器進行“異或”運算；若向右移出的數(shù)位是0，則返回③。 

⑤重復③和④，直至移出8位。 

⑥另外8位與該十六位寄存器進行“異或”運算。 

⑦重復③~⑥，直至該 報文所有字節(jié)均與16位 寄存器進行“異或”運算，并移位8次。 

⑧這個16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。 另外，在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗手段，而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式X↑16+X↑15+X↑2+1，單首次裝入的16位寄存器為0000；使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，首次裝入寄存器值為0000或FFFFH。CRC簡單函數(shù)如下：

2.LRC：

LRC錯誤校驗用于ASCII模式。這個錯誤校驗是一個8位二進制數(shù)，可作為2個ASCII十六進制字節(jié)傳送。把十六進制字符轉(zhuǎn)換成二進制，加上無循環(huán)進位的二進制字符和二進制補碼結果生成LRC錯誤校驗（參見圖）。這個LRC在接收設備進行核驗，并與被傳送的LRC進行比較，冒號（：）、回車符號（CR）、換行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六進制字符在運算時忽略不計。

Modbus的協(xié)議內(nèi)容是完全公開的，內(nèi)容是簡單滴，實現(xiàn)起來是非常容易滴，單片機、PLC、DCS統(tǒng)統(tǒng)都能輕易實現(xiàn)。    

Profibus則要復雜一些，關鍵是需要專用芯片進行二次開發(fā)，并且需要得到上級組織的認證，開發(fā)成本肯定高不少 。    

當然從性能上講，基于串口的modbus rtu/ASCII通訊性能肯定比不過profibus dp，但是就一些儀表級的簡單通訊或者控制器級別的小數(shù)據(jù)量通訊，modbus是足以勝任的。說白了，就是modbus是*絲，profibus是高富帥！

功能碼命令詳解：

在這些功能碼中較長使用的是1、2、3、4、5、6號功能碼，使用它們即可實現(xiàn)對下位機的數(shù)字量和模擬量的讀寫操作。

1、01號命令，讀可讀寫數(shù)字量寄存器（線圈狀態(tài)）： 

計算機發(fā)送命令：[設備地址] [命令號01] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]  

例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]  

意義如下： 

例：[11][01][05][CD][6B][B2][0E][1B] [CRC高] [CRC低]  

意義如下： 

2、05號命令，寫數(shù)字量（線圈狀態(tài)）：  

計算機發(fā)送命令：[設備地址] [命令號05] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗的低8位] [CRC校驗的高8位]  

例：[11][05][00][AC][FF][00][CRC高][CRC低]  

意義如下： 

設備響應：如果成功把計算機發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應。 

3、03號命令，讀可讀寫模擬量寄存器（保持寄存器）： 

計算機發(fā)送命令：[設備地址] [命令號03] [起始寄存器地址高8位] [低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位] 

例：[11][03][00][6B][00][03] [CRC高][CRC低]  

意義如下： 

設備響應：[設備地址] [命令號03] [返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1][數(shù)據(jù)2]...[數(shù)據(jù)n] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]  

例：[11][03][06][02][2B][00][00][00][64] [CRC高] [CRC低]

意義如下： 

4、06號命令，寫單個模擬量寄存器（保持寄存器）：  

計算機發(fā)送命令：[設備地址] [命令號06] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]  

例：[11][06][00][01][00][03] [CRC高] [CRC低]  

意義如下： 

設備響應：如果成功把計算機發(fā)送的命令原樣返回，否則不響應。 

5、16號命令，寫多個模擬量寄存器（保持寄存器）：  

計算機發(fā)送命令：[設備地址] [命令號16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量高8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量低8位] [下置的數(shù)據(jù)高8位] [低8位][……][……] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位] 
 例：[11][16][00][01][00][01][00][05] [CRC高] [CRC低]  

意義如下： 

設備響應：如果成功把計算機返回的如下命令，否則不響應。設備響應：[設備地址] [命令號16] [需下置的寄存器地址高8位] [低8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量高8位] [數(shù)據(jù)數(shù)量低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]，如上例返回：[11][16][00][01][00][01] [CRC高] [CRC低]