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轉自 |?小麥大叔
之前有不少讀者在問關于Modbus協議相關的問題，今天給大家分享一篇由小麥大叔整理的Modbus協議教程。
介紹modbus rtu之前，我們可以了解到，Modbus是施耐德電氣公司，于1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。四十多年過去了，現在仍然被廣泛使用在各個工業控制領域。除了這個協議很穩定的原因之外：
modbus 是OSI模型第七層上的應用層報文傳輸協議，OSI定義了開放系統的層次結構、層次之間的相互關系以及各層所包括的可能的任務，作為一個框架來協調和組織各層所提供的服務。
OSI參考模型并沒有提供一個可以實現的方法，而是描述了一些概念，用來協調進程間通信標準的制定。即OSI參考模型并不是一個標準，而是一個在制定標準時所使用的概念性框架。
modbus在OSI模型中，可以描述為下圖；
EIA485/TIA485就是RS485，隨著技術不斷發展，485標準目前是電信行業協會（TIA）維護，所以名稱為TIA-485，當然工程師及應用指南仍繼續用RS-485來稱呼也是沒問題的；
下面我們來介紹一些串行鏈路協議。
Modbus串行鏈路協議是一個主從模式（主機和從機），半雙工的數據傳輸協議，485標準通常需要兩條線，在某一個確定時刻，有一個主機和從機進行通訊。
整體的結構圖如下所示；
這里我們還要明確幾點：
正如前面所提到的，modbus是半雙工傳輸的，即主機發送數據的時候，是不能接收數據的，所以這里總共分為兩步來進行。
主機發送數據的方式有兩種，一個是 1對1，一個是1對多，也就是我們常說的廣播形式，所有從機都可以收到主機發送的數據；
1對1 只需要發送數據給特定地址的從機即可，廣播只需要把發送地址設置為0即可，所以廣播地址為0；
這里我們已經大致了解了主機和從機之間的數據傳輸的情況，下面我們就再來介紹一下數據傳輸的具體格式；
先來說說Modbus有兩種傳輸模式，RTU傳輸模式和ASCII傳輸模式；
RTU傳輸：Remote Terminal Unit模式在Modbus中消息由十六進制組成，數據密度高，吞吐率高；
ASCII傳輸：消息由ASCII 字符發送效率不及RTU模式，無法使用RTU模式的定時管理時，使用ASCII模式；
比如：
0x12會被整合成兩個字符發送：0x31和0x32發送，因為
0x31等于字符1；0x32等于字符2
下面我們會主要介紹modbus RTU。
在講幀格式之前，首先我們想象一下，人與人之間的對話，最基本單元是漢字，然后相互交流就用漢字組成的句子，比如下面的對話；
所以機器之間的通信也是類似的，我們可以把字節當作最基本的數據單元，然后由字節組成句子，也就是通信幀；
但是現在情況出現了變化，對話的人里，除了小樟，還有一個小紅，這時候，為了明確和誰說話，就需要在對話前面加上名字：
所以我們繼續回到modbus的數據幀格式，這里的協議定義了一個基礎通信層的簡單協議數據單元（PDU），具體如下圖所示；
所以這里基本分為四個部分，地址域，功能碼，數據，差錯校驗（CRC/LRC），統稱為ADU (Application Data Unit)，基本上進行傳輸的數據都要滿足這個格式，作為一個完整的幀，對照前面老板的對話內容，我們這里可以簡單的理解一下：
下面我們再深入分析一下；
Modbus PDU(protocol data unit)格式被定義為一個功能代碼，后面跟著一組關聯的數據。
該數據的大小和內容由功能代碼定義，整個PDU（功能代碼和數據）的大小不能超過253個字節。
每個功能代碼都有一個特定的行為，從設備可以根據所需的應用程序行為靈活地實現這些行為。
PDU規范定義了數據訪問和操作的核心概念；但是，從設備可能會以規范中未明確定義的方式處理數據。
地址域占用一個字節，所以一般來說尋址范圍是0~255，一般在系統中用1~147，其他地址暫時保留，另外，同一個總線上的從機，每個地址必須唯一。
其中0是廣播地址；
下面是Freemodbus的一個從機初始化代碼，0x02就是這個從機的地址，
eMBInit(MB_RTU,?0x02,?3,?115200,?MB_PAR_NONE);
功能碼占一個字節，所以范圍是 0~255，協議中規定了功能碼分為三類：公共功能碼，用戶自定義功能碼，保留功能碼。整體如下所示；
公共功能碼必須保證它的唯一性，這是由Modbus組織已經規定好，并且具有一致性測試的功能碼，所以在一定程度上，它保證了協議的可復用性。
由上表可知，公共功能碼分為四種，分別是：
bit；bit；下面是移植Freemodbus協議，從機上需要對這四個公共功能碼處理的回調函數：
//輸入寄存器量
eMBErrorCode?eMBRegInputCB(?UCHAR?*?pucRegBuffer,?USHORT?usAddress,?USHORT?usNRegs?)
{
??eMBErrorCode????eStatus?=?MB_ENOERR;
??return?eStatus;
}
//保持寄存器量
eMBErrorCode
eMBRegHoldingCB(?UCHAR?*?pucRegBuffer,?USHORT?usAddress,?USHORT?usNRegs,
?????????????????eMBRegisterMode?eMode?)
{
????eMBErrorCode????eStatus?=?MB_ENOERR;
????return?eStatus;
}
//線圈數量?
eMBErrorCode
eMBRegCoilsCB(?UCHAR?*?pucRegBuffer,?USHORT?usAddress,?USHORT?usNCoils,
???????????????eMBRegisterMode?eMode?)
{
????eMBErrorCode????eStatus?=?MB_ENOERR;
????return?eStatus;
}
//離散輸入數量?
eMBErrorCode
eMBRegDiscreteCB(?UCHAR?*?pucRegBuffer,?USHORT?usAddress,?USHORT?usNDiscrete?)
{
????eMBErrorCode????eStatus?=?MB_ENOERR;
????return?eStatus;
}
我們先看一下最底層modbus數據是如何發送的，沒錯，看到RS485和232，那我們自然想到了串口。
所以最根本的數據格式可以參考一下串口數據的定義，也就是我們說的起始位，數據位，校驗位，數據位；具體如下所示；
所以這里我們可以規定一下：
起始位+數據位+校驗位（可選）+ 停止位 等于一個字符；因此這里可以通過串口的波特率去計算出單個字符所需要的時間。
然后我們再看一下，modbus幀是如何發送的？
在RTU模式中，幀之間的間隔至少為3.5個字符的空閑時間間隔，以便于表示幀的開始和幀的結束，所以如果想自己整一個modbus rtu就需要一個定時器去結算空閑時間的長度。
整個數據必須以連續的字符流進行發送，如果兩個字符之間的長度等于1.5個字符時間，則認為幀消息不完整，則認為設備不該接收該消息，具體如下所示；
這里需要注意的是RTU需要定時器中斷的參與，所以，1.5字符時間和3.5字符時間的檢測，在串口通訊速率很高的時候，需要高頻率得進入中斷，這就會增加系統開銷。
所以通常在波特率低于19200的時候，可以嚴格遵守1.5和3.5字符時間的規定。
如果波特率大于19200的時候，需要滿足兩個固定時間即可：
本文簡單介紹了modbus rtu協議，包括串行鏈路通信，幀格式以及硬件鏈路層的消息格式，能力有限，本文難免存在錯誤和紕漏，請不吝賜教。篇幅有限本文先到這里，下一篇介紹一下如何移植Freemodbus協議以及調試協議的過程。
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