Modbus协议介绍

Modbus存储区

从机存储数据，那么肯定要有一个存储区，那就需要文件操作，我们都知道这文件可以分为只读(-r)和读写(-wr)两种类型
并且存储的数据类型可以分为：布尔量和 16位寄存器

布尔量比如IO口的电平高低，灯的开关状态等。
16位寄存器比如 传感器的温度数据，存储的密码等。

Modbus协议规定了4个存储区分别是0 1 3 4区其中1区和4区是可读可写，1区和3区是只读。
在这里插入图片描述并且Modbus还给每个区都划分了地址范围主机向从机获取数据时，只需要告诉从机数据的起始地址，还有获取多少字节的数据，从机就可以发送数据给主机

Modbus数据模型规定了具体的地址范围，每一个从机，都有实际的物理存储，跟modbus的存储区相对应，主机读写从机的存储区，实际上就是对从机设备对应的实际存储空间进行读写。
在这里插入图片描述

Modbus协议类型

在上面我们已经说明了Modbus可以在各种介质上传输，那么他的传输模式也分为三种。包括ASCII、RTU(远程终端控制系统)、TCP三种报文类型

串行端口存在多个版本的Modbus协议，而最常见的是下面四种：

Modbus-Rtu
Modbus-Ascii
Modbus-Tcp
ModbusPlus

Modbus RTU是一种紧凑的，十六进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种采用Ascii码表示数据，并且每个8Bit 字节都作为两个ASCII字符发送的表示方式。
RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。

Modbus协议使用串口传输时可以选择RTU或ASCII模式，并规定了消息、数据结构、命令和应答方式并需要对数据进行校验。ASCII 模式采用LRC校验，RTU模式采用16 位CRC校验。通过以太网传输时使用TCP，这种模式不使用校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

在这里插入图片描述当然常用的就是RTU模式，ASCII一般很少

举一个简单的例子，如果我们需要发送一个数字10 那么RTU模式下，只需要发送0x0A 总线上传输数据形式为： 0000 1010

而ASCII码模式则将数据1和0转为’1’和’0’,需要发送0x31(1) 0x30(0)两个字节数据。总线上传输数据形式为： 0011 0001 0011 0000

详细的我们等下再阐述
Modbus-RTU协议
Modbus报文帧结构

 一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文： 指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据。

Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容

Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：
在这里插入图片描述

帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验
从机地址:
每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)
功能码:
占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确

Modbus功能码

Modbus规定了多个功能，那么为了方便的使用这些功能，我们给每个功能都设定一个功能码，也就是指代码。
Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：
在这里插入图片描述当然我们用的最多的就是03和06 一个是读取数据，一个是修改数据。

CRC校验

错误校验（CRC）域占用两个字节包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。
比如主机发出01 06 00 01 00 17 98 04， 98 04 两个字节是校验位，那么从机接收到后要根据01 06 00 01 00 17 再计算CRC校验值，从机判断自己计算出来的CRC校验是否与接收的CRC校验（98 04主机计算的）相等，如果不相等那么说明数据传输有错误，这些数据就不能要。
CRC校验流程：
1、预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。
2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。
3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。
4 、如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。
5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。
6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。
7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。

详细的发送和接收数据

1、主机对从机读数据操作
主机发送报文格式如下：
在这里插入图片描述含义：

0x01：从机的地址
0x03：功能码，查询功能，读取从机寄存器的数据
0x00 0x01：代表读取的起始寄存器地址.说明从0x0001开始读取.
0x00 0x01：查询的寄存器数量为0x0001个
Modbus把数据存放在寄存器中,通过查询寄存器来得到不同变量的值,一个寄存器地址对应2字节数据; 寄存器地址对应着从机实际的存储地址
0xD5 0xCA：循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：
在这里插入图片描述含义：

0x01：从机的地址
0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据
0x02：返回字节数为2个一个寄存器2个字节
0x00 0x17：寄存器的值是0017
0xF8 0x4A：循环冗余校验 CRC

2、主机对从机写数据操作
主机发送报文格式如下：在这里插入图片描述含义：

 0x01：从机的地址0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明修改0x0001-0x0003的存储内容0x00 0x17： 要修改的数据值为00170x98 0x04： 循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：
在这里插入图片描述含义：

 0x01：从机的地址0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明是0x00000x00 0x17：修改的值为00170x98 0x04： 循环冗余校验 CRC

从机的回复和主机的发送是一样的，如果不一样说明出现了错误
Modbus-ACSII协议

在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送

十六进制的0-F 分别对应ASCII字符的0…9，A…F

也就是0x30~0x3A 0x41~0x46
在这里插入图片描述
下方是ascii的报文帧

 1个字节起始位2个字节地址位2个字节功能位n个数据位，最小的有效位先发送LRC(纵向冗长检测) 注意校验方式不同结束符 \r \n

在这里插入图片描述可以看到数据部分更加繁琐，正常我们使用都是用RTU格式，ASCII码格式有了解即可。

总结：
ModbusASCII有开始字符(和结束字符(CR LF)，可以作为一帧数据开始和结束的标志，而ModbusRTU没有这样的标志，需要用时间间隔来判断一帧报文的开始和结束，协议规定的时间为3.5个字符周期，就是说一帧报文开始前，必须有大于3.5个字符周期的空闲时间，一帧报文结束后，也必须要有3.5个字符周期的空闲时间否则就会出现粘包的情况。

注意：针对3.5个字符周期，其实是一个具体时间，但是这个时间跟波特率相关。
在串口通信中，1个字符包括1位起始位、8位数据位（一般情况）、1位校验位（或者没有）、1位停止位（一般情况下），因此1个字符包括11个位，那么3.5个字符就是38.5个位，波特率表示的含义是每秒传输的二进制位的个位，因此如果是9600波特率，3.5个字符周期=/960038.5=0.00401s1000=4.01ms
Modbus-TCP协议

我们首先看下Modbus-TCP和Modbus-ACSII的区别

Modbus-TCP并不需要从从机地址，而是需要MBAP报文头

并且不需要差错校验，因为TCP本身就具有校验差错的能力
在这里插入图片描述 MBAP报文头格式如下：
其中事务处理表示符合协议标识符我们正常使用设置为0即可长度为6个字节 0x0006