Modbus TCP/RTU/ASCII 總論
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Modbus協(xié)議是OSI模型的第七層的應用層通訊協(xié)議，定義了不同類型設備間交換信息方式，以及信息的格式。
【Modbus工作方式】
Modbus的工作方式是請求/應答，每次通訊都是主站先發(fā)送指令，可以是廣播，或是向特定從站的單播，從站響應指令，并按要求應答，或者報告異常。當主站不發(fā)送請求時，從站不會自己發(fā)出數(shù)據(jù)，從站和從站之間不能直接通訊。
【Modbus報文格式】
Modbus協(xié)議的報文（或幀）的基本格式是：表頭 + 功能碼 + 數(shù)據(jù)區(qū) + 校驗碼
功能碼和數(shù)據(jù)區(qū)在不同類型的網(wǎng)絡都是固定不變的，表頭和校驗碼則因網(wǎng)絡底層的實現(xiàn)方式不同而有所區(qū)別。表頭包含了從站的地址，功能碼告訴從站要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)區(qū)是具體的信息。圖1是一次請求和應答的過程。
【Modbus數(shù)據(jù)交換示例】
先以串行通訊的Modbus為例（注意Modbus TCP的報文表頭和校驗碼是不一樣的），主站發(fā)送了：09 03 00 04 00 03 XX。主站告訴從站09，我要讀取的地址偏移為4、5、6的Holding Register的數(shù)值。其中"03"是讀Holding Register的功能碼，"00 04 00 01"是數(shù)據(jù)區(qū)，"00 04"是寄存器的地址，"00 03"說明要連續(xù)讀三個寄存器的值。"XX"代表最后的校驗位，校驗方法是LRC或CRC。從站收到信息后，就從對應的寄存器找到數(shù)值，回復：09 03 06 02 2B 00 01 00 64 XX。從站回答，該地址偏移為4的寄存器值為02 2B，地址偏移為5的寄存器值為00 01，地址偏移為6的寄存器值為00 64。其中"09 03"是復制了主站發(fā)來的地址和功能碼，"06"代表接下來的數(shù)據(jù)共有6個字節(jié)。如果從站收到了一個錯誤的請求，例如發(fā)現(xiàn)要讀的寄存器地址是錯誤的，則回復：09 83 02 XX。其中"83"是把功能碼"03"的最高位置1，告訴主站發(fā)生了異常，"02"是異常碼，說明發(fā)生了無效地址的異常。
【Modbus的四種數(shù)據(jù)類型】Coil：大小只有1位，ON或OFF，可讀可寫，既可以是一個輸出量輸出點，也可以是數(shù)字量輸入點，有效的地址范圍是1-9999。Input Status：大小只有1位，ON或OFF，只讀，即數(shù)字量輸出點，有效地址范圍是10001-19999。Input Register：16位的寄存器，只讀，可以用作模擬量或16位打包輸入點，有效地址范圍是30001-39999。Holding Register：16位的寄存器，可讀可寫，既可以是一個模擬量或16位打包輸入點，也可以是模擬量或16位打包輸出點，有效地址范圍是40001-49999。在 PLC或DCS上用點名標記不同的變量，在Modbus則以數(shù)據(jù)地址來標記每個點。以上所說的地址都是參考地址，而不是實際的物理地址。上述的地址是在設備中的地址，按照PLC的習慣從1開始遞增，而Modbus報文中是從0開始遞增。例如地址偏移為4、5、6的Holding Register，其實是指參考地址是40005、40006、40007的寄存器。
【Modbus TCP、Modbus RTU和Modbus ASCII的區(qū)別】
對于不同類型的網(wǎng)絡，Modbus的第7層實現(xiàn)是一樣的，區(qū)別在于下層的實現(xiàn)方式，常見的有TCP/IP和串行通訊兩種。Modbus TCP基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，Modbus RTU和Modbus ASCII則是使用異步串行傳輸（通常是RS-232/422/485）。
對于Modbus TCP而言，主站通常稱為Client，從站稱為Server；而對于Modbus RTU和Modbus ASCII來說，主站是Master，從站是Slave。如圖2所示，串行傳輸?shù)奈锢韺邮荝S-485或RS-232，數(shù)據(jù)鏈路層是Modbus的串行傳輸協(xié)議；Modbus TCP的1、2、3、4層實現(xiàn)和日常所見的以太網(wǎng)、因特網(wǎng)一樣。Modbus默認采用的TCP端口號是502。圖3說明了Modbus TCP的改動：
- 取消了校驗位。數(shù)據(jù)鏈路層上就進行了CRC-32的校驗，TCP/IP是面向連接的可靠性的協(xié)議，因此沒必要再加上校驗位。
- Slave 地址換成了Unit Identifier。當網(wǎng)絡里的設備全是使用TCP/IP，這個地址是沒有意義的，因為IP就能進行路由尋址。如果網(wǎng)絡里還有串行通訊的設備，則需要網(wǎng)關來實現(xiàn)Modbus TCP到Modbus RTU或ASCII之間的協(xié)議轉換，這時用Unit Identifier來標識網(wǎng)關后面的每個串行通訊設備。
- Length是指后面的字節(jié)總數(shù)。實際上數(shù)據(jù)區(qū)的長度是能確定的，有的功能碼就可以確定數(shù)據(jù)區(qū)的長度，有的功能碼雖不能確定數(shù)據(jù)區(qū)長度，但是數(shù)據(jù)區(qū)有字節(jié)計數(shù)，參見上文舉的從站應答的例子。表頭增加的Length是為了應對有些情況下TCP/IP協(xié)議會將應用層的數(shù)據(jù)拆包傳輸。
- Transaction Identifier和Protocol Identifier由Client生成，Server的響應將復制這些參數(shù)。
【RTU和ASCII的區(qū)別】
RTU模式下，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)木褪且粋€字節(jié)。ASCII模式下，同樣一個字節(jié)數(shù)據(jù)用了兩個字節(jié)來傳輸。例如，要傳輸數(shù)字0x5B，RTU傳輸?shù)氖?101 1011（二進制），而ASCII傳輸?shù)氖?0110101和01000010?？梢?，ASCII傳輸?shù)乃俾适荝TU的一半。ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗。
【Modbus資料】
MODBUS Protocol Specification——Modbus總體功能介紹
Modbus Serial Line Protocol and Implementation Guide V1.02——串行通訊的實現(xiàn)MODBUS TCP/IP——Modbus TCP的實現(xiàn)
Modicon Modbus Protocol Reference Guide——Modbus最早起源于Modicon
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