MODBUS RTU协议原理及功能码解析
MODBUS RTU协议原理及功能码解析
MODBUS RTU协议是工业自动化领域广泛使用的通信协议之一，主要用于串行通信环境中的设备间数据交换。本文将详细介绍MODBUS RTU协议的基本原理、传输模式、报文帧结构以及各种功能码的使用方法，帮助读者全面理解这一重要协议的工作机制。
MODBUS RTU协议原理
1.1 简介
MODBUS是OSI模型第七层上的应用层报文传输协议。它是一个请求/应答协议，并规定了相关的功能码。MODBUS功能码是MODBUS请求应答PDU（协议数据单元）的元素。
MODBUS通信栈允许在各种网络体系结构内进行简单通信。每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用MODBUS协议来启动远程操作。在基于串行链路和以太TCP/IP网络的MODBUS上可以进行相同通信。
1.2 RTU传输模式
有两种串行传输模式被定义：RTU模式和ASCII模式。所有设备必须实现RTU模式。
当设备使用RTU（Remote Terminal Unit）模式在MODBUS串行链路通信时，报文中每个8位字节包含两个4位十六进制字符。这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。
RTU模式每个字节（11位）的格式为：
- 编码系统：8位二进制
- 报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符（0-9，A-F）
- Bits per Byte：1起始位
- 8数据位，首先发送最低有效位
- 1位作为奇偶校验
- 1停止位
- 默认校验位模式必须为偶校验
1.3 MODBUS报文帧
由发送设备将MODBUS报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可以在报文的开始接收新帧，并且知道何时报文结束。不完整的报文必须能够被检测到而错误标志必须作为结果被设置。在RTU模式，报文帧由时长至少为3.5个字符时间的空闲间隔区分。
整个报文帧必须以连续的字符流发送。如果两个字符之间的空闲间隔大于1.5个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。
1.4 CRC校验
在RTU模式包含一个对全部报文内容执行的基于循环冗余校验（CRC - Cyclical Redundancy Checking）算法的错误检验域。CRC域检验整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。
CRC包含由两个8位字节组成的一个16位值。CRC域作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后，首先附加低字节，然后是高字节。CRC高字节为报文发送的最后一个子节。
附加在报文后面的CRC的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算CRC的值，并将计算结果于实际接收到的CRC值相比较。如果两个值不相等，则为错误。
CRC的计算，开始对一个16位寄存器预装全1。然后将报文中的连续的8位子节对其进行后续的计算。只有字符中的8个数据位参与生成CRC的运算，起始位，停止位和校验位不参与CRC计算。
CRC的生成过程中，每个8位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位（LSB）方向移动（Shift）1位，而最高有效位（MSB）位置充零。然后提取并检查LSB：如果LSB为1，则寄存器中的值与一个固定的预置值异或；如果LSB为0，则不进行异或操作。
这个过程将重复直到执行完8次移位。完成最后一次（第8次）移位及相关操作后，下一个8位字节与寄存器的当前值异或，然后又同上面描述过的一样重复8次。当所有报文中子节都运算之后得到的寄存器中的最终值，就是CRC。
MODBUS RTU模式下功能码解析
2.1 Modbus-RTU协议简介
帧结构 = 地址（设备ID）+ 功能码 + 数据 + 校验
- 地址：占1个字节，范围0
255,有效范围1247，其他特殊用途 如255为广播地址。 - 功能码：占1个字节。功能码是modbus协议定的。是modbus编程两个重要的概念之一（另一个是字符间隔1.5T—判断帧是否完整，字符间隔大于3.5T视为帧结束。），不同的功能码，后面数据格式也不同，从机返回的帧格式也不同。
- 数据：见后面示例。
- 校验：CRC校验值。
备注：读线圈返回数据时，1个字节表示8个线圈状态。比如线圈地址0001-0008这一部分的状态ON-ON-ON-OFF-ON-ON-OFF-OFF,等价11101100。二进制表示为00110111，16进制为0x37.
2.2 部分功能码名词解释
- 线圈寄存器：实际上就可以类比为开关量（继电器状态），每一个bit对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。 线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。对应上面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f
- 离散输入寄存器：如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。所以功能码也简单就一个读的 0x02
- 保持寄存器：这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读写的。一般对应参数设置，比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写，所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10
- 输入寄存器：这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写，一般是读取各种实时数据。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值。对应的功能码也就一个 0x04。
2.3 部分功能码解析
01功能码 –读线圈状态
主机发送：01 01 00 01 00 08 6C 0C
从机回复: 01 01 01 2F 10 54
主机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 01 功能码；
- 00 01 代表查询的起始线圈地址，即从0001线圈开始查询。
- 00 08 查询线圈数量。
- 6C 0C 循环冗余校验。
从机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 01 功能码；
- 01 代表后面数据的字节数。
- 2F 读取以0001线圈开始的8个线圈的状态。0x2F二进制为00101111，对应状态为1111 0100
- 10 54 循环冗余校验。
02功能码 –-读离散输入寄存器
功能：读离散输入寄存器，位操作，可读单个或多个，类似功能码0X01
03功能码 –-读保持寄存器的值
主机发送：01 03 00 01 00 01 D5 CA
从机回复: 01 03 02 00 01 79 84
主机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 03 功能码；
- 00 01 代表查询的起始寄存器地址，即从0001寄存器开始查询。
- 00 01 查询寄存器数量。
- D5 CA 循环冗余校验。
从机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 03 功能码；
- 02 代表后面数据的字节数。
- 00 01 查询0001寄存器的值。
- 79 84 循环冗余校验。
04 功能码 –-读输入寄存器
功能：读输入寄存器，字节操作，可读单个或多个，类似功能码0X03
05 功能码 –-写单个线圈
功能：对单个线圈进行写操作，位操作，只能写一个。写入0xFF00表示将线圈置为ON，写入0x0000表示将线圈置为OFF，其它值无效；
主机发送数据：从站地址+功能码+寄存器起始地址+数据值+校验码
从站应答数据：从站地址+功能码+寄存器地址+写入值+校验码
06 功能码 –-写单个保持寄存器
主机发送：01 06 00 02 00 01 E9 CA
从机回复: 01 06 00 02 00 01 E9 CA
主机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 06 功能码；
- 00 02 代表待写入的起始寄存器地址，即从0002寄存器开始写数据。
- 00 01 写入的寄存器的值。即给0002寄存器写入0001
- E9 CA 循环冗余校验。
从机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 06 功能码；
- 02 代表后面数据的字节数。
- 00 01 查询0001寄存器的值。
- E9 CA 循环冗余校验。
15 功能码 –-写多个线圈状态
主机发送：01 0F 00 01 00 07 01 6B B2 B9
从机回复: 01 0F 00 01 00 07 45 C9
主机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 0F 功能码；
- 00 01 代表待写入的起始线圈地址，即从0001线圈开始写数据。
- 00 07 待写入的线圈的数量。
- 01 后面写入数据的字节数。
- 6B写入寄存器的值，即11010110。二进制01101011
- B2 B9 循环冗余校验。
从机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 0F 功能码；
- 00 01 代表待写入的起始线圈地址，即从0001线圈开始写数据。
- 00 07 待写入的线圈的数量。
- 45 C9 循环冗余校验。
16功能码 -- 写多个保持寄存器
主机发送：01 10 00 04 00 03 06 00 01 00 00 00 01 5B 55
从机回复: 01 10 00 04 00 03 C1 C9
主机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 10 功能码；
- 00 04 代表待写入的起始寄存器地址，即从0004寄存器开始写数据。
- 00 03 待写入的寄存器的数量。
- 06 后面写入数据的字节数。
- 0001,0000,0001写入寄存器的值。即给0004,0005,0006寄存器分别写入0001，0000,0001
- 5B 55 循环冗余校验。
从机解析：
- 01 地址(设备ID)；
- 10 功能码；
- 00 04 代表待写入的起始寄存器地址，即从0004寄存器开始写数据。
- 00 03 待写入的的寄存器的数量。
- C1 C9 循环冗余校验。