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ModBus通信系統協議
ModBus通信系統協議
ModBus網絡是一個工業通信系統，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統結構既包括硬件、亦包括軟件。它可應用于各種數據采集和過程監控。下表1是ModBus的功能碼定義。
表1 ModBus功能碼
| 功能碼 | 名稱 | 作用 |
| 01 | 讀取線圈狀態 | 取得一組邏輯線圈的當前狀態（ON/OFF) |
| 02 | 讀取輸入狀態 | 取得一組開關輸入的當前狀態（ON/OFF) |
| 03 | 讀取保持寄存器 | 在一個或多個保持寄存器中取得當前的二進制值 |
| 04 | 讀取輸入寄存器 | 在一個或多個輸入寄存器中取得當前的二進制值 |
| 05 | 強置單線圈 | 強置一個邏輯線圈的通斷狀態 |
| 06 | 預置單寄存器 | 把具體二進值裝入一個保持寄存器 |
| 07 | 讀取異常狀態 | 取得8個內部線圈的通斷狀態，這8個線圈的地址由控制器決定，用戶邏輯可以將這些線圈定義，以說明從機狀態，短報文適宜于迅速讀取狀態 |
| 08 | 回送診斷校驗 | 把診斷校驗報文送從機，以對通信處理進行評鑒 |
| 09 | 編程（只用于484） | 使主機模擬編程器作用，修改PC從機邏輯 |
| 10 | 控詢（只用于484） | 可使主機與一臺正在執行長程序任務從機通信，探詢該從機是否已完成其操作任務，僅在含有功能碼9的報文發送后，本功能碼才發送 |
| 11 | 讀取事件計數 | 可使主機發出單詢問，并隨即判定操作是否成功，尤其是該命令或其他應答產生通信錯誤時 |
| 12 | 讀取通信事件記錄 | 可是主機檢索每臺從機的ModBus事務處理通信事件記錄。如果某項事務處理完成，記錄會給出有關錯誤 |
| 13 | 編程（184/384 484 584） | 可使主機模擬編程器功能修改PC從機邏輯 |
| 14 | 探詢（184/384 484 584） | 可使主機與正在執行任務的從機通信，定期控詢該從機是否已完成其程序操作，僅在含有功能13的報文發送后，本功能碼才得發送 |
| 15 | 強置多線圈 | 強置一串連續邏輯線圈的通斷 |
| 16 | 預置多寄存器 | 把具體的二進制值裝入一串連續的保持寄存器 |
| 17 | 報告從機標識 | 可使主機判斷編址從機的類型及該從機運行指示燈的狀態 |
| 18 | （884和MICRO 84） | 可使主機模擬編程功能，修改PC狀態邏輯 |
| 19 | 重置通信鏈路 | 發生非可修改錯誤后，是從機復位于已知狀態，可重置順序字節 |
| 20 | 讀取通用參數（584L） | 顯示擴展存儲器文件中的數據信息 |
| 21 | 寫入通用參數（584L） | 把通用參數寫入擴展存儲文件，或修改之 |
| 22～64 | 保留作擴展功能備用 | |
| 65～72 | 保留以備用戶功能所用 | 留作用戶功能的擴展編碼 |
| 73～119 | 非法功能 | |
| 120～127 | 保留 | 留作內部作用 |
| 128～255 | 保留 | 用于異常應答 |
ModBus網絡只是一個主機，所有通信都由他發出。網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數要由所用通信設備決定。采用這個系統，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執行本身的控制任務。表2是ModBus各功能碼對應的數據類型。
表2 ModBus功能碼與數據類型對應表
| 代碼 | 功能 | 數據類型 |
| 01 | 讀 | 位 |
| 02 | 讀 | 位 |
| 03 | 讀 | 整型、字符型、狀態字、浮點型 |
| 04 | 讀 | 整型、狀態字、浮點型 |
| 05 | 寫 | 位 |
| 06 | 寫 | 整型、字符型、狀態字、浮點型 |
| 08 | N/A | 重復“回路反饋”信息 |
| 15 | 寫 | 位 |
| 16 | 寫 | 整型、字符型、狀態字、浮點型 |
| 17 | 讀 | 字符型 |
（1）ModBus的傳輸方式
在ModBus系統中有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）這兩種模式的定義見表3
表3 ASCII和RTU傳輸模式的特性
特性 | ASCII(7位） | RTU(8位） | |
編碼系統 | 十六進制（使用ASCII可打印字符：0～9，A～F) | 二進制 | |
| 每一個字符的位數 | 開始位 | 1位 | 1位 |
| 數據位（有效位*） | 7位 | 8位 | |
| 奇偶校驗（任選） | 1位（此位用于奇偶校驗，無校應則無該位） | 1位（此位用于奇偶校驗，無校應則無該位） | |
| 停止位 | 1或2位 | 1或2位 | |
| 錯誤校驗 | LRC（即縱向冗余校驗） | CRC(即循環冗余校驗） |
ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortan）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模式傳輸的數據是8位二進制字符。如欲轉換為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數據的譯瑪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數據流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產生長達1s的間隔，以適應速度較快的機器。
表4給出了以RTU方式讀取整數據的例子
以RTU方式讀取整數據的例子
| 主機請求 | ||||||
| 地址 | 功能碼 | 第一個寄存器的高位地址 | 第一個寄存器的低位地址 | 寄存器的數量的高位 | 寄存器的數量的底位 | 錯誤校驗 |
| 01 | 03 | 00 | 38 | 00 | 01 | XX |
| 從機應答 | |||||
| 地址 | 功能碼 | 字節數 | 數據高字節 | 數據低字節 | 錯誤校驗 |
| 01 | 03 | 2 | 41 | 24 | XX |
| 十六進制數4124表示的十進制整數為16676，錯誤校驗值要根據傳輸方式而定。 | |||||
（2）ModBus的數據校驗方式
CRC-16（循環冗余錯誤校驗）
CRC-16錯誤校驗程序如下：報文（此處只涉及數據位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗位）被看作是一個連續的二進制，其最高有效位（MSB）發送。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11000000000000101。整數商位忽略不記，16位余數加入該報文（MSB先發送），成為2個CRC校驗字節。余數中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經上述處理而含有CRC字節的報文，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（接收設備核驗這個CRC字節，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運算以2為模（無進位）。
習慣于成串發送數據的設備會送出字符的最右位（LSB有效位）。而在生成CRC情況下，發送應是被除數的最高有效位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。
生成CRC-16校驗字節的步驟如下：
①裝如一個16位寄存器，所有數位均為1。
②該16位寄存器的高位字節與開始8位字節進行“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）移出的數位是1，則生成多項式1010000000000001和這個寄存器進行“異或”運算；若向右移出的數位是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位寄存器的內容即2字節CRC錯誤校驗，被加到報文的最高有效位。
另外，在某些非ModBus通信協議中也經常使用CRC16作為校驗手段，而且產生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式X↑16+X↑15+X↑2+1，單裝入的16位寄存器為0000；使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，裝入寄存器值為0000或FFFFH。
LRC（縱向冗余錯誤校驗）
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，可作為2個ASCII十六進制字節傳送。把十六進制字符轉換成二進制，加上無循環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。
表5 LRC生成范例--讀取02號從機的前8個線圈
| 二進制 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||