详解Modbus通信协议---清晰易懂

知道什么是什么Modbus先来看看什么是协议

协议是汉语词汇，发音是xié yì，意思是共同讨论、协商；协商协商制定的共同认可、共同遵守的文件。

简单来说，我们的单片机之间的相互通信，以及单片机和上位机之间的通信，都规定了不同的内容规范。通信双方都需要遵守规范，这样才能实现两者的通信。

这个协议可以有很多规范来适应不同的设备和通信要求，这是我们常见的IIC SPI UART串口通信协议等。Modbus也是串行通信协议。

我们在看Modbus经常看到485串口，232串口，这些是什么？

RS232，RS485是电平标准

通信双方之间传输数据，本质是传递物理的电平 比方说传输5V的电压 -1V这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰，比如你传输一个5V接收端的电压可能变为4.8V，通信双方的参考电压可能会有所不同。

此时需要一个电平标准来判断V的电压是多少 1.有多少V电压低电平？ 0 这就诞生了 RS-485 RS-232

RS232:电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 与电平标准和通信协议(时序)相对应的异步传输标准接口，其电平标准: 3V～ 15V对应0，-3V～-15V对应1。

• 全双工
• 逻辑1：-15V–5V
• 逻辑0： 3V– 15V

RS485：RS485是串口接口标准，用于长距离传输差分方式传输，传输差分信号，抗干扰比RS232强很多。两线压差为-2~-6V表示0，两线压差为 2~ 6V表示1

• 半双工
• 逻辑1： 2V~ 6V
• 逻辑0： -2V~ -6V
• 注意485电平是指485-A和485-B两条传输线之间的电压差。而不是传输线上的电压

如果想继续了解，可以看博主的博文:

USB转串口 TTL RS-232 RS-485 COM口 UART区别

也就是RS-485电平标准确定传输过来的数据是0还是1，在此基础上，这些字节数据根据modbus通信协议交互数据传输。

硬件层协议：解决0和1的可靠传输，通常是RS232、RS485、CAN、IIC、SPI … 软件层协议：解决传输目的,常有Modbus、TCP/IP、CANopen …

Modbus诞生于1979年 莫迪康公司 后来被施耐德电气公司收购。Modbus为彼此通信提供通用语言的设备和设备。 Modbus已成为工业通信协议的行业标准，是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为工业领域应用最广泛的协议

最简单的说，Modbus就像总线通信协议一样IIC SPI这种，但是他不依赖硬件总线

Modbus广泛使用的原因有它的优点

注意Modbus是一主多从的通信协议

现在，我们来探讨Modbus数据传输的方式，可以简单地理解成打电话。并且是单向通信的打电话

主机发送数据，首先需要从机的电话号码(区分每个从机，每个地址必须唯一)，告诉从机打电话要干什么事情，然后是需要发送的内容，最后再问问从机，我说的话你都听清楚了没有呀，没有听错吧？

然后从机这里，得到了主机打过来的电话，从机回复主机需要的内容，主机得到从机数据，这样就是一个主机到从机的通信过程

就好比老师和你打电话，老师拨通了你的电话号，然后老师跟你说，小王呀，我这里需要你给我发东西，发的内容是上周的一周总结，你说好的，然后打开你电脑的文件夹，把你的周报发给老师，这就是一个通信过程。

既然从机存储数据，那么肯定要有一个存储区，那就需要文件操作，我们都知道这文件可以分为只读(-r)和读写(-wr)两种类型

并且存储的数据类型可以分为 ：布尔量 和 16位寄存器

在上面我们已经说明了Modbus可以在各种介质上传输，那么他的传输模式也分为三种。包括ASCII、RTU(远程终端控制系统)、TCP三种报文类型

串行端口存在多个版本的Modbus协议，而最常见的是下面四种：

• Modbus-Rtu
• Modbus-Ascii
• Modbus-Tcp
• ModbusPlus

Modbus RTU是一种紧凑的，十六进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种采用Ascii码表示数据，并且每个8Bit 字节都作为两个ASCII字符发送的表示方式。 RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。

Modbus协议使用串口传输时可以选择RTU或ASCII模式，并规定了消息、数据结构、命令和应答方式并需要对数据进行校验。ASCII 模式采用LRC校验，RTU模式采用16 位CRC校验。通过以太网传输时使用TCP，这种模式不使用校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

当然常用的就是RTU模式，ASCII一般很少

举一个简单的例子，如果我们需要发送一个数字10 那么RTU模式下，只需要发送0x0A 总线上传输数据形式为： 0000 1010

而ASCII码模式则将数据1和0转为’1’和’0’,需要发送0x31(1) 0x30(0)两个字节数据。总线上传输数据形式为： 0011 0001 0011 0000

详细的我们等下再阐述

一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文： 指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据。

Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容

Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：

• 帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验

• 从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)

• 功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.

• 数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。

• 校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确

Modbus规定了多个功能，那么为了方便的使用这些功能，我们给每个功能都设定一个功能码，也就是指代码。

Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：

当然我们用的最多的就是03和06 一个是读取数据，一个是修改数据。

错误校验（CRC）域占用两个字节包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。 比如主机发出01 06 00 01 00 17 98 04， 98 04 两个字节是校验位，那么从机接收到后要根据01 06 00 01 00 17 再计算CRC校验值，从机判断自己计算出来的CRC校验是否与接收的CRC校验（98 04主机计算的）相等，如果不相等那么说明数据传输有错误，这些数据就不能要。

CRC校验流程：

1、预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。

2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。

3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。

4 、如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。

5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。

6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。

7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。

此外还有一种利用预设的表格计算CRC的方法，它的主要特点是计算速度快，但是表格需要较大的存储空间，该方法此处不在阐述

下面我们来看详细的发送和接收数据：

1、主机对从机读数据操作

主机发送报文格式如下：

含义：

0x01：从机的地址 0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据 0x00 0x01： 代表读取的起始寄存器地址.说明从0x0001开始读取. 0x00 0x01： 查询的寄存器数量为0x0001个 Modbus把数据存放在寄存器中,通过查询寄存器来得到不同变量的值,一个寄存器地址对应2字节数据; 寄存器地址对应着从机实际的存储地址 0xD5 0xCA： 循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：

含义：

0x01：从机的地址 0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据 0x02： 返回字节数为2个 一个寄存器2个字节 0x00 0x17：寄存器的值是0017 0xF8 0x4A： 循环冗余校验 CRC

2、主机对从机写数据操作

主机发送报文格式如下：

含义：

0x01：从机的地址 0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据 0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明修改0x0001-0x0003的存储内容 0x00 0x17： 要修改的数据值为0017 0x98 0x04： 循环冗余校验 CRC

从机回复报文格式如下：

含义：

0x01：从机的地址 0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据 0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000 0x00 0x17：修改的值为0017 0x98 0x04： 循环冗余校验 CRC

从机的回复和主机的发送是一样的，如果不一样说明出现了错误

在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送

十六进制的0-F 分别对应ASCII字符的0…9，A…F

也就是0x30~0x3A 0x41~0x46

下方是ascii的报文帧

• 1个字节起始位

• 2个字节地址位

• 2个字节功能位

• n个数据位，最小的有效位先发送

• LRC(纵向冗长检测) 注意校验方式不同

• 结束符 \r \n

可以看到数据部分更加繁琐，正常我们使用都是用RTU格式，ASCII码格式有了解即可。

总结： ModbusASCII有开始字符(和结束字符(CR LF)，可以作为一帧数据开始和结束的标志，而ModbusRTU没有这样的标志，需要用时间间隔来判断一帧报文的开始和结束，协议规定的时间为3.5个字符周期，就是说一帧报文开始前，必须有大于3.5个字符周期的空闲时间，一帧报文结束后，也必须要有3.5个字符周期的空闲时间否则就会出现粘包的情况。

注意：针对3.5个字符周期，其实是一个具体时间，但是这个时间跟波特率相关。 在串口通信中，1个字符包括1位起始位、8位数据位（一般情况）、1位校验位（或者没有）、1位停止位（一般情况下），因此1个字符包括11个位，那么3.5个字符就是38.5个位，波特率表示的含义是每秒传输的二进制位的个位，因此如果是9600波特率，3.5个字符周期=/960038.5=0.00401s1000=4.01ms

我们首先看下Modbus-TCP和Modbus-ACSII的区别

Modbus-TCP并不需要从从机地址，而是需要MBAP报文头

并且不需要差错校验，因为TCP本身就具有校验差错的能力

MBAP报文头格式如下：

其中事务处理表示符合协议标识符我们正常使用设置为0即可 长度为6个字节 0x0006

简单来说，也就是Modbus-TCP是在Modbus-ACSII的基础上，去掉校验，然后加上五个字节的0和一个06

最后附上 Modbus标准协议手册链接 Modbus标准协议手册