三种不同的Modbus协议PDU结构详解

三种不同的Modbus协议PDU结构详解

Modbus协议是一种在工业自动化领域广泛应用的通信协议，用于在不同设备之间传输数据。本文将深入探讨Modbus协议中的PDU（Protocol Data Unit）结构及其在不同通信方式（RTU、ASCII、TCP）下的应用。

Modbus PDU基础

Modbus协议定义了一个简单的协议数据单元（PDU），这个定义是独立于底层通信层的。Protocol data unit，缩写为PDU，即协议数据单元，其基本结构如下：

一个PDU单元主要由功能码和相应的数据两部分组成。功能码指示服务器要执行的操作类型，而数据部分则包含执行该操作所需的详细信息。

当MODBUS协议映射到特定的总线或网络时，会在协议数据单元上引入一些额外的字段。发起MODBUS事务的客户端构建MODBUS PDU，然后添加字段以构建适当的通信PDU。下图展示了串行总线上的PDU通信帧结构：

需要说明的以下几点：

• MODBUS应用数据单元（ADU）由发起MODBUS事务的客户端构建。
• 功能码字段以一字节编码，有效的代码范围是1到255的十进制数（128到255的范围是保留的，用于异常响应）。
• 某些功能码会添加子功能码以定义多个操作。
• 数据字段可能包含离散和寄存器地址、要处理的项目数量以及字段中实际数据字节的计数。
• 如果发生错误，数据字段包含一个异常代码，服务器应用程序可以使用它来确定下一步要采取的操作。

RTU、ASCII和TCP协议帧

我们先通过内部的PDU结构图来看看：

Modbus RTU协议帧

Modbus ASCII协议帧

Modbus TCP协议帧

MODBUS PDU的大小受到从最初的串行线路网络（最大RS485 ADU =256字节）继承的大小限制。因此：

• 串行线路通信的MODBUS PDU = 256 - 服务器地址（1字节）- CRC（2字节）=253字节
• RS232 / RS485 ADU = 253字节 + 服务器地址（1字节）+ CRC（2字节）=256字节
• TCP MODBUS ADU = 253字节 + MBAP（7字节）=260字节

三种不同类型的PDU

MODBUS协议定义了三种PDUs（协议数据单元），它们是：

• MODBUS请求PDU，mb_req_pdu
• MODBUS响应PDU，mb_rsp_pdu
• MODBUS异常响应PDU，mb_excep_rsp_pdu

这三种具体的定义如下：

mb_req_pdu = {function_code, request_data}

其中：

• function_code = [1字节] MODBUS功能码
• request_data = [n字节] 这个字段依赖于功能码，通常包含诸如变量引用、变量计数、数据偏移量、子功能码等信息。

mb_rsp_pdu = {function_code, response_data}

其中：

• function_code = [1字节] MODBUS功能码
• response_data = [n字节] 这个字段依赖于功能码，通常包含诸如变量引用、变量计数、数据偏移量、子功能码等信息。

mb_excep_rsp_pdu = {exception-function_code, request_data}

其中：

• exception-function_code = [1字节] MODBUS功能码 + 0x80
• exception_code = [1字节] 定义在“MODBUS异常代码”表中的MODBUS异常代码，后期会单独说明，敬请持续关注。

总结

本文详细介绍了Modbus协议中的PDU结构及其在不同通信方式下的应用。通过理解这些基础概念，读者可以更好地掌握Modbus协议的工作原理，为实际应用中的设备通信提供技术支持。