简介基于ModBUS 工业物联网协议的解析

一、Modbus 协议简介 
     ModBus网络是一个工业通信系统，由具有智能终端的可编程控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构包括硬件、软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。ModBus网络里只有一个主机，所有通信都由他发出。网络可支持247个的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备来决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。它是一种串行通信协议，可以说是工业自动化领域应用最为广泛的通讯协议，有了它，不同厂商的产品可以简单可靠的进行设备通信。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网、Can Bus、Rs485等)和其它设备之间可以通信。Modbus 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。Modbus 是一个请求/应答协议。目前Modbus协议有：Modbu ASCII, Modbu RTU, Modbu TCP等，可以这么形容，Modbus就像一种标准语言，普通话，而这三个呢就像各个地方的方言。其中 Modbu TCP主要应用于网络通信，Modbu ASCII和Modbu RTU主要应用于串行通信，Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。工业现场最常用的就是Modbus RTU。它常用的功能码有01.02.03.(04).05.06.0F.10。

01.读开关量输出的状态
02读开关量输入状态
03.读寄存器值
05写单个开关量输出
06写单个寄存值
0F写多个开关量输出
10写多个寄存器值

Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：公开发表并且无版权要求，易于部署和维护。对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制，使用Modbus的主要优点是它是一个简单的开源协议。Modbus的开发成本很低，并且需要最少的硬件设计。此外，Modbus还支持与各种设备（来自不同供应商）和系统的互操作性和兼容性。Modbus允许多个 (大约240个) 设备连接在同一个网络上进行通信，举个例子，一个由测量温度和湿度的装置，并且将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制系统（SCADA）中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统（RTU）。

      因此简单的表征来说：Modbus 协议就是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络的（ 例如以太网、Can Bus、RTU等）和其它设备之间也可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以 连成工业网络，进行集中监控。 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控 制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格 局和内容的公共格式。 当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消 息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包 含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、 路由路径及错误检测的方法。

     有奇偶校验 
启始位 1 2 3 4 5 6 7 奇偶位 停止位 
 
     无奇偶校验 
启始位 1 2 3 4 5 6 7 停止位 停止位 
 
     使用RTU字符帧时，位的序列是： 
     有奇偶校验 
启始位 1 2 3 4 5 6 7 8 奇偶位 停止位 
 
     无奇偶校验 
启始位 1 2 3 4 5 6 7 8 停止位 停止位 
 
 四、错误检测方法 
     标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用，帧检测（LRC或CRC）应用于 
 整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。 
     用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作为正常 
 反应。如果从设备测到一传输错误，消息将不会接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备 
 来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。 
 1、奇偶校验 
     用户可以配置控制器是奇或偶校验，或无校验。这将决定了每个字符中的奇偶校验位是如何设置的 
     如果指定了奇或偶校验，“1”的位数将算到每个字符的位数中（ASCII模式7个数据位，RTU中8个数据位 
 ）。例如RTU字符帧中包含以下8个数据位： 1 1 0 0 0 1 0 1 
     整个“1”的数目是4个。如果便用了偶校验，帧的奇偶校验位将是0，使得整个“1”的个数仍是4个。如 
 果使用了奇校验，帧的奇偶校验位将是1，使得整个“1”的个数是5个。 
     如果没有指定奇偶校验位，传输时就没有校验位，也不进行校验检测。代替一附加的停止位填充至要传输 
 的字符帧中。 
 2、LRC检测 
     使用ASCII模式，消息包括了一基于LRC方法的错误检测域。LRC域检测了消息域中除开始的冒号及结束的 
 回车换行号外的内容。 
     LRC域是一个包含一个8位二进制值的字节。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消 
 息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有错误。 
     LRC方法是将消息中的8Bit的字节连续累加，丢弃了进位。LRC简单函数如下： 
static unsigned char LRC(auchMsg,usDataLen) 

unsigned char *auchMsg ; /* 要进行计算的消息 */ 

unsigned short usDataLen ; /* LRC 要处理的字节的数量*/ 

{ unsigned char uchLRC = 0 ; /* LRC 字节初始化 */ 

while (usDataLen--) /* 传送消息 */ 

uchLRC += *auchMsg++ ; /* 累加*/ 

return ((unsigned char)(-((char_uchLRC))) ; 

} 
 
 3、CRC检测 
     使用RTU模式，消息包括了一基于CRC方法的错误检测域。CRC域检测了整个消息的内容。 
     CRC域是两个字节，包含一16位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到 
 消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误。 
     CRC是先调入一值是全“1”的16位寄存器，然后调用一过程将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值 
 进行处理。仅每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。 
     CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或（OR），结果向最低有效位方向移动，最高有效位 
 以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个 
 过程要重复8次。在最后一位（第8位）完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中 
 的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC值。 
     CRC添加到消息中时，低字节先加入，然后高字节。CRC简单函数如下： 
        
unsigned short CRC16(puchMsg, usDataLen) 

unsigned char *puchMsg ; /* 要进行CRC校验的消息 */ 

unsigned short usDataLen ; /* 消息中字节数 */ 

{ 

unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; /* 高CRC字节初始化 */ 

unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; /* 低CRC 字节初始化 */ 

unsigned uIndex ; /* CRC循环中的索引 */ 

while (usDataLen--) /* 传输消息缓冲区 */ 

{ 

uIndex = uchCRCHi ^ *puchMsgg++ ; /* 计算CRC */ 

uchCRCHi = uchCRCLo ^ auchCRCHi[uIndex} ; 

uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex] ; 

} 

return (uchCRCHi << 8 | uchCRCLo) ; 

} 
  MODBUS通讯协议及编程

　　ModBus通讯协议分为RTU协议和ASCII协议，我公司的多种仪表都采用ModBus RTU通讯协议，如：CH2000智能电力监测仪、CH2000M电力参数采集模块、巡检表、数显表、光柱数显表等。下面就ModBus RTU协议简要介绍如下：

一、通讯协议

（一）、通讯传送方式：
　　 通讯传送分为独立的信息头，和发送的编码数据。以下的通讯传送方式定义也与MODBUS RTU通讯规约相兼容： 

编 码 8位二进制 
起始位 1位 
数据位 8位 
奇偶校验位 1位（偶校验位） 
停止位 1位 
错误校检 CRC（冗余循环码） 

初始结构 = ≥4字节的时间 
地址码 = 1 字节
功能码 = 1 字节
数据区 = N 字节
错误校检 = 16位CRC码 
结束结构 = ≥4字节的时间


　　地址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。

　　功能码：通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为１(比如功能码大与此同时127)，则表明从机没有响应操作或发送出错。

　　数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。

　　 CRC码：二字节的错误检测码。

（二）、通讯规约：

　　 当通讯命令发送至仪器时，符合相应地址码的设备接通讯命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务；然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。如果出错就不发送任何信息。

1．信息帧结构

地址码 功能码 数据区 错误校验码 
8位 8位 N × 8位 16位 

　　地址码：地址码是信息帧的第一字节(8位)，从0到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送。当从机回送信息时，相当的地址码表明该信息来自于何处。

　　 功能码：主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。表1-1列出的功能码都有具体的含义及操作。 

代码 含义  操作 
03 读取数据 读取当前寄存器内一个或多个二进制值 
06 重置单一寄存器 把设置的二进制值写入单一寄存器 

　　数据区：数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。

　　错误校验码：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时，由于电子噪声或其它一些干扰，信息在传输过程中会发生细微的变化，错误校验码保证了主机或从机对在传送过程中出错的信息不起作用。这样增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。

注：信息帧的格式都基本相同：地址码、功能码、数据区和错误校验码。

2．错误校验

　　 冗余循环码（CRC）包含2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的 CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。

　　CRC码的计算方法是，先预置16位寄存器全为1。再逐步把每8位数据信息进行处理。在进行CRC码计算时只用8位数据位，起始位及停止位，如有奇偶校验位的话也包括奇偶校验位，都不参与CRC码计算。

　　 在计算CRC码时，8位数据与寄存器的数据相异或，得到的结果向低位移一字节，用0填补最高位。再检查最低位，如果最低位为1，把寄存器的内容与预置数相异或，如果最低位为0，不进行异或运算。

　　 这个过程一直重复8次。第8次移位后，下一个8位再与现在寄存器的内容相相异或，这个过程与以上一样重复8次。当所有的数据信息处理完后，最后寄存器的内容即为CRC码值。CRC码中的数据发送、接收时低字节在前。

　　 计算CRC码的步骤为：

预置16位寄存器为十六进制FFFF（即全为1）。称此寄存器为CRC寄存器； 
把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CRC寄存器； 
把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，检查最低位； 
如果最低位为0：重复第3步(再次移位); 如果最低位为1：CRC寄存器与多项式A001（1010 0000 0000 0001）进行异或； 
重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理； 
重复步骤2到步骤5，进行下一个8位数据的处理； 
最后得到的CRC寄存器即为CRC码。 
3．功能码03，读取点和返回值：

　　仪表采用Modbus RTU通讯规约，利用通讯命令，可以进行读取点(“保持寄存器”) 或返回值(“输入寄存器” )的操作。保持和输入寄存器都是16位（2字节）值，并且高位在前。这样用于仪表的读取点和返回值都是2字节。一次最多可读取寄存器数是60。由于一些可编程控制器不用功能码03，所以功能码03被用作读取点和返回值。从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区中的寄存器数据都是每两个字节高字节在前。

4．功能码06，单点保存

　　主机利用这条命令把单点数据保存到仪表的存储器。从机也用这个功能码向主机返送信息。

二、编程举例

　　下面是一个用VC编写的ModBus RTU通讯的例子

（一）、通讯口设置

DCB dcb;
hCom=CreateFile("COM1",
　　　　 GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,
　　　　　0,
　　　　　NULL,
　　　　　OPEN_EXISTING,
　　　　　0,
　　　　　NULL);
if(hCom==INVALID_HANDLE_VALUE)
{
　　MessageBox("createfile error,error");
}
BOOL error=SetupComm(hCom,1024,1024);
if(!error)
　　MessageBox("setupcomm error");
error=GetCommState(hCom,&dcb);
if(!error)
　　MessageBox("getcommstate,error");
dcb.BaudRate=2400;
dcb.ByteSize=8;

dcb.Parity=EVENPARITY;//NOPARITY;
dcb.StopBits=ONESTOPBIT;

error=SetCommState(hCom,&dcb);

（二）、CRC校验码计算

UINT crc
void calccrc(BYTE crcbuf)
{
BYTE i;

crc=crc ^ crcbuf;
for(i=0;i<8;i++)
{
BYTE TT;
TT=crc&1;
crc=crc>>1;
crc=crc&0x7fff;
if (TT==1)
crc=crc^0xa001;
crc=crc&0xffff;
}
}

（三）、数据发送

zxaddr=11;//读取地址为11的巡检表数据
zxnum=10;//读取十个通道的数据

writebuf2[0]=zxaddr;
writebuf2[1]=3;
writebuf2[2]=0;
writebuf2[3]=0;
writebuf2[4]=0;
writebuf2[5]=zxnum;
crc=0xffff;
calccrc(writebuf2[0]);
calccrc(writebuf2[1]);
calccrc(writebuf2[2]);
calccrc(writebuf2[3]);
calccrc(writebuf2[4]);
calccrc(writebuf2[5]);

writebuf2[6]=crc & 0xff;
writebuf2[7]=crc/0x100;
WriteFile(hCom,writebuf2,8,&comnum,NULL);

（四）、数据读取

ReadFile(hCom,writebuf,5+zxnum*2,&comnum,NULL);//读取zxnum个通道数据
可增加错误处理程序，如地址码错误、CRC码错误判断、通讯故障处理等。