【嵌入式基础知识梳理#11】Modbus-RTU工业总线协议

一、协议的层级划分

        1. 硬件层协议，通常聚焦于解决电气和电平问题，用于解决0/1的可靠传输，通常有：

        （1）RS232

        （2）RS485总线 （串行差分、异步、半双工、主从由软件层决定）

        （3）CAN总线（串行差分、异步位同步、半双工、多主多从）

        （4）I2C总线（串行、同步、半双工、一主多从）

        （5）SPI总线（串行、同步、全双工、一主多从居多/具有多主多从模式）

        2. 软件层协议，解决实际应用场合的传输目的问题：

        （1）Modbus

        （2）CANopen

        （3）TCP/IP

        

        ModBus于1979年由莫迪康电气研发，后来被施耐德电气收购。Modbus提供脚本语言用于设备通讯。目前为止，Modbus就像汽车行业的CANopen，属于工业行业应用最广的协议。

        具体的七层协议上讲，Modbus属于应用层协议，定义了控制器能够认知和使用的消息结构，无论他们经过何种硬件网络通信。

        

二、Modbus的通信过程   

        （1）主从模式：无论何种硬件层协议，进入Modbus后强制一主多从

                   

        （2）忙机制判断：Modbus没有忙机制判断，需要进行其他软件仲裁

        （3）从机存储

        ModBus的从机存储区分为只读只写两种。

        存储的数据类型分为：布尔值/16为寄存器

        Modbus协议规定四个从机存储区，称为0 1 3 4区，03只读，14可读可写

区号	名称	读写	地址范围
0区	输出线圈	可读可写布尔量	00001-09999
1区	输入触点	只读布尔量	10001-19999
3区	输入寄存器	只读寄存器	30001-39999
4区	保持寄存器	可读可写寄存器	40001-49999

        1. 输出线圈：通常以布尔值形式出现，用于电磁阀、灯光、继电器等的开关控制和回调

        2. 输入触点：通常以布尔值形式反馈，用于反馈外部设备的开关状态

        3. 输入寄存器：以16位形式出现，表示以数字反馈某些状态

        4. 保持寄存器：以16位形式出现，用数字形式实现控制和回调

        读写的方式为，数据起始地址+多少字节数据（+写入内容）

三、Modbus-RTU协议   

        Modbus-RTU是一种紧凑的，十六进制表示数据的方式。

        比如我们要发送66给从机，则总线上传输的数据为0x42

        在Modbus中，报文等价于数据帧。

        （1）Modbus报文

         Modbus的一个数据帧，也就是一个报文以以下形式出现。

从机地址	功能码	数据	CRC/LRC
1 byte	1 byte	N bytes	2 bytes

        1. 从机地址：每个从机都有一个字节的从机地址，只有1-247能被识别，255意味广播

        2. 功能码：指示报文的具体功能

        3. 数据：由器件规定，比如要读取风压计的数据，则填入数据地址（子地址）和字节数

        4. 校验：CRC校验位

        （2）Modbus功能码

功能码	功能说明
01H	读取输出线圈
02H	读取输入触点
03H	读取保持寄存器
04H	读取输入寄存器
05H	写入单线圈
06H	写入单保持寄存器
0FH	写入多线圈
10H	写入多保持寄存器

        其中，读取功能适用于线圈、触点、状态寄存器、保持寄存器

        而写入功能只适用于线圈和保持寄存器。

三、Modbus-RTU常用格式举例

        （1）主机读从机内容 

        主机发送报文：

从机地址	功能码	起始（高）	起始（低）	数量（高）	数量（低）	校验
0x01	0x03	0x00	0x01	0x00	0x01	0xD5 0xCA

          从机地址为0x01，功能吗0x03（查询寄存器信息），起始地址0x0001，数量读一个，还有CRC校验位，这个根据校验位之前的内容用工具算出来。

         从机发送报文：

从站地址	功能码	返回字节数	寄存器内容（高）	寄存器内容（低）		校验
0x01	0x03	0x02	0x00	0x17		0xF8 0x4A

        从机功能码与主机保持一致，检验位由自动化设备负责。

        （2）主机写从机内容

        主机发送报文：

从站地址	功能码	数据地址（高）	数据地址（低）	数据（高）	数据（低）	校验
0x01	0x06	0x00	0x01	0x00	0x17	0x98 0x04

                功能吗0x06写入数据进寄存器，数据地址0x0001,写入数据高低位，校验码

        从机回复报文：

从站地址	功能码	数据地址（高）	数据地址（低）	数据（高）	数据（低）	校验
0x01	0x06	0x00	0x01	0x00	0x17	0x98 0x04

        主机写从机时，回复报文内容必须与发送内容一致，表示我接收到了。

总结

本章向大家分享了工控、运动控制领域常用的Modbus-RTU协议，如果想要实际上手在单片机上练习，建议买一些工控自动化设备与单片机进行通讯。