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一文搞懂 Modbus RTU 协议

发布人:xiaomaidashu 时间:2024-05-15 来源:工程师 发布文章

大家好,我是麦鸽,以前写过一篇文章是关于modbus协议的,只是简单地做了一下介绍,这次对于modbus RTU协议进行了深入的学习。

背景

介绍modbus rtu之前,我们可以了解到,Modbus是施耐德电气公司,于1979年发明的,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。四十多年过去了,现在仍然被广泛使用在各个工业控制领域。除了这个协议很稳定的原因之外:

  1. 免费;
  2. 方便部署和维护;
  3. 对供应商来说,修改移动本地的比特或字节没有很多限制;

modbus 是OSI模型第七层上的应用层报文传输协议,OSI定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系以及各层所包括的可能的任务,作为一个框架来协调和组织各层所提供的服务。

OSI参考模型并没有提供一个可以实现的方法,而是描述了一些概念,用来协调进程间通信标准的制定。即OSI参考模型并不是一个标准,而是一个在制定标准时所使用的概念性框架。

modbus在OSI模型中,可以描述为下图;

图片

modbus osi模型中的位置

EIA485/TIA485就是RS485,随着技术不断发展,485标准目前是电信行业协会(TIA)维护,所以名称为TIA-485,当然工程师及应用指南仍继续用RS-485来称呼也是没问题的;

下面我们来介绍一些串行链路协议。

Modbus 串行链路协议

Modbus串行链路协议是一个主从模式(主机和从机),半双工的数据传输协议,485标准通常需要两条线,在某一个确定时刻,有一个主机和从机进行通讯。

  • 主从模式:通常总线上有一个主机和多个从机,每个从机有唯一的ID,主机通过ID进行寻址从机,然后进行数据传输;
  • 半双工传输:相对应半双工的是全双工,全双工运行发送数据接收数据同时发生,所以半双工就不难理解了,同一时刻只能进行发送数据,或者只能接收数据;

整体的结构图如下所示;

图片一个485总线的主从模式

这里我们还要明确几点:

  1. 从机无法主动向从机发送数据,只有在主机发送数据给从机(发送请求),然后从机接收到主机发送的数据之后,再回传数据给主机;具体如下所示;

图片主从模式

正如前面所提到的,modbus是半双工传输的,即主机发送数据的时候,是不能接收数据的,所以这里总共分为两步来进行。

  1. 主机发送数据的方式有两种,一个是 1对1,一个是1对多,也就是我们常说的广播形式,所有从机都可以收到主机发送的数据;

    1对1 只需要发送数据给特定地址的从机即可,广播只需要把发送地址设置为0即可,所以广播地址为0;

这里我们已经大致了解了主机和从机之间的数据传输的情况,下面我们就再来介绍一下数据传输的具体格式;

传输模式

图片

先来说说Modbus有两种传输模式,RTU传输模式和ASCII传输模式;

  • RTU传输:Remote Terminal Unit模式在Modbus中消息由十六进制组成,数据密度高,吞吐率高;

  • ASCII传输:消息由ASCII 字符发送效率不及RTU模式,无法使用RTU模式的定时管理时,使用ASCII模式;

    比如:0x12会被整合成两个字符发送:0x31和0x32发送,

    因为 0x31等于字符1;0x32等于字符2

下面我们会主要介绍modbus RTU。

帧格式

在讲帧格式之前,首先我们想象一下,人与人之间的对话,最基本单元是汉字,然后相互交流就用汉字组成的句子,比如下面的对话;

  • 老板问:中午吃什么?
  • 小樟说:吃饭吧!

图片

所以机器之间的通信也是类似的,我们可以把字节当作最基本的数据单元,然后由字节组成句子,也就是通信帧;

但是现在情况出现了变化,对话的人里,除了小樟,还有一个小红,这时候,为了明确和谁说话,就需要在对话前面加上名字:

  • 老板:小樟,中午吃面吗?
  • 小樟:老板,吃饭去吧。
  • 小红,没有叫他,语言柚子;

图片

所以我们继续回到modbus的数据帧格式,这里的协议定义了一个基础通信层的简单协议数据单元(PDU),具体如下图所示;

图片

所以这里基本分为四个部分,地址域功能码数据差错校验(CRC/LRC),统称为ADU (Application Data Unit),基本上进行传输的数据都要满足这个格式,作为一个完整的帧,对照前面老板的对话内容,我们这里可以简单的理解一下:

  • 地址域:可以理解成 具体和谁说话
  • 功能码:可以理解成 具体动作,比如 去做,来拿,去吃 等等;
  • 数据:可以理解成 具体内容,比如 面,饭 等等,也可以是其他,这里配合上下文,所以是吃的东西;
  • 差错校验:可以理解成,说出来的话必须可以让人理解,不然别人听不懂啊;实际上在协议中通常使用CRC或LRC保证传输的数据没有错误;

下面我们再深入分析一下;

PDU

Modbus PDU(protocol data unit)格式被定义为一个功能代码,后面跟着一组关联的数据。

该数据的大小和内容由功能代码定义,整个PDU(功能代码和数据)的大小不能超过253个字节。

每个功能代码都有一个特定的行为,从设备可以根据所需的应用程序行为灵活地实现这些行为。

PDU规范定义了数据访问和操作的核心概念;但是,从设备可能会以规范中未明确定义的方式处理数据。

地址域

地址域占用一个字节,所以一般来说寻址范围是0~255,一般在系统中用1~147,其他地址暂时保留,另外,同一个总线上的从机,每个地址必须唯一。

其中0是广播地址;

下面是Freemodbus的一个从机初始化代码,0x02就是这个从机的地址,

eMBInit(MB_RTU, 0x023115200, MB_PAR_NONE);
功能码

功能码占一个字节,所以范围是 0~255,协议中规定了功能码分为三类:公共功能码,用户自定义功能码,保留功能码。整体如下所示;

图片image-20211224223246059

公共功能码必须保证它的唯一性,这是由Modbus组织已经规定好,并且具有一致性测试的功能码,所以在一定程度上,它保证了协议的可复用性。

由上表可知,公共功能码分为四种,分别是:

  • 离散量输入:只读类型,单位:bit;
  • 线圈:读写类型,单位:bit;
  • 输入寄存器:只读类型,单位:字节;
  • 保持寄存器:读写类型,单位:字节;

下面是移植Freemodbus协议,从机上需要对这四个公共功能码处理的回调函数:

//输入寄存器量
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;
}

//线圈数量 
eMBErrorCode
eMBRegCoilsCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNCoils,
               eMBRegisterMode eMode )

{
    eMBErrorCode    eStatus = MB_ENOERR;
    return eStatus;
}

//离散输入数量 
eMBErrorCode
eMBRegDiscreteCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNDiscrete )
{
    eMBErrorCode    eStatus = MB_ENOERR;
    return eStatus;
}

底层如何传输

我们先看一下最底层modbus数据是如何发送的,没错,看到RS485和232,那我们自然想到了串口。

所以最根本的数据格式可以参考一下串口数据的定义,也就是我们说的起始位,数据位,校验位,数据位;具体如下所示;

图片

所以这里我们可以规定一下:

起始位+数据位+校验位(可选)+ 停止位 等于一个字符;因此这里可以通过串口的波特率去计算出单个字符所需要的时间。

然后我们再看一下,modbus帧是如何发送的?

在RTU模式中,帧之间的间隔至少为3.5个字符的空闲时间间隔,以便于表示帧的开始和帧的结束,所以如果想自己整一个modbus rtu就需要一个定时器去结算空闲时间的长度。

图片3.5字符时间

整个数据必须以连续的字符流进行发送,如果两个字符之间的长度等于1.5个字符时间,则认为帧消息不完整,则认为设备不该接收该消息,具体如下所示;

图片1.5字符时间

这里需要注意的是RTU需要定时器中断的参与,所以,1.5字符时间和3.5字符时间的检测,在串口通讯速率很高的时候,需要高频率得进入中断,这就会增加系统开销。

所以通常在波特率低于19200的时候,可以严格遵守1.5和3.5字符时间的规定。

如果波特率大于19200的时候,需要满足两个固定时间即可:

  • 1.5字符时间:750 us;
  • 3.5字符时间:1.75ms;
总结

本文简单介绍了modbus rtu协议,包括串行链路通信,帧格式以及硬件链路层的消息格式,能力有限,本文难免存在错误和纰漏,请不吝赐教。篇幅有限本文先到这里,下一篇介绍一下如何移植Freemodbus协议以及调试协议的过程。

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关键词: Modbus RTU

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