ModBus通信系統(tǒng)協(xié)議

ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。下表1是ModBus的功能碼定義。

表1 ModBus功能碼

ModBus網(wǎng)絡(luò)只是一個主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC可以和中心主機(jī)交換信息而不影響各PC執(zhí)行本身的控制任務(wù)。表2是ModBus各功能碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。

表2 ModBus功能碼與數(shù)據(jù)類型對應(yīng)表

（1）ModBus的傳輸方式

 在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機(jī)PC通信的能力是同等的。選擇時應(yīng)視所用ModBus主機(jī)而定，每個ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）這兩種模式的定義見表3

表3 ASCII和RTU傳輸模式的特性

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortan）編程的主計算機(jī)及主PC很適宜。RTU則適用于機(jī)器語言編程的計算機(jī)和PC主機(jī)。

用RTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符。如欲轉(zhuǎn)換為ASCII模式，則每個RTU字符首先應(yīng)分為高位和低位兩部分，這兩部分各含4位，然后轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制等量值。用以構(gòu)成報文的ASCII字符都是十六進(jìn)制字符。ASCII模式使用的字符雖是RTU模式的兩倍，但ASCII數(shù)據(jù)的譯瑪和處理更為容易一些，此外，用RTU模式時報文字符必須以連續(xù)數(shù)據(jù)流的形式傳送，用ASCII模式，字符之間可產(chǎn)生長達(dá)1s的間隔，以適應(yīng)速度較快的機(jī)器。

表4給出了以RTU方式讀取整數(shù)據(jù)的例子

以RTU方式讀取整數(shù)據(jù)的例子

（2）ModBus的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式

CRC-16（循環(huán)冗余錯誤校驗(yàn)）

CRC-16錯誤校驗(yàn)程序如下：報文（此處只涉及數(shù)據(jù)位，不指起始位、停止位和任選的奇偶校驗(yàn)位）被看作是一個連續(xù)的二進(jìn)制，其最高有效位（MSB）發(fā)送。報文先與X↑16相乘（左移16位），然后看X↑16+X↑15+X↑2+1除，X↑16+X↑15+X↑2+1可以表示為二進(jìn)制數(shù)11000000000000101。整數(shù)商位忽略不記，16位余數(shù)加入該報文（MSB先發(fā)送），成為2個CRC校驗(yàn)字節(jié)。余數(shù)中的1全部初始化，以免所有的零成為一條報文被接收。經(jīng)上述處理而含有CRC字節(jié)的報文，若無錯誤，到接收設(shè)備后再被同一多項式（X↑16+X↑15+X↑2+1）除，會得到一個零余數(shù)（接收設(shè)備核驗(yàn)這個CRC字節(jié)，并將其與被傳送的CRC比較）。全部運(yùn)算以2為模（無進(jìn)位）。

習(xí)慣于成串發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備會送出字符的最右位（LSB有效位）。而在生成CRC情況下，發(fā)送應(yīng)是被除數(shù)的最高有效位MSB。由于在運(yùn)算中不用進(jìn)位，為便于操作起見，計算CRC時設(shè)MSB在最右位。生成多項式的位序也必須反過來，以保持一致。多項式的MSB略去不記，因其只對商有影響而不影響余數(shù)。

生成CRC-16校驗(yàn)字節(jié)的步驟如下：

①裝如一個16位寄存器，所有數(shù)位均為1。

②該16位寄存器的高位字節(jié)與開始8位字節(jié)進(jìn)行“異或”運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果放入這個16位寄存器。

③把這個16寄存器向右移一位。

④若向右（標(biāo)記位）移出的數(shù)位是1，則生成多項式1010000000000001和這個寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算；若向右移出的數(shù)位是0，則返回③。

⑤重復(fù)③和④，直至移出8位。

⑥另外8位與該十六位寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算。

⑦重復(fù)③~⑥，直至該報文所有字節(jié)均與16位寄存器進(jìn)行“異或”運(yùn)算，并移位8次。

⑧這個16位寄存器的內(nèi)容即2字節(jié)CRC錯誤校驗(yàn)，被加到報文的最高有效位。

另外，在某些非ModBus通信協(xié)議中也經(jīng)常使用CRC16作為校驗(yàn)手段，而且產(chǎn)生了一些CRC16的變種，他們是使用CRC16多項式X↑16+X↑15+X↑2+1，單裝入的16位寄存器為0000；使用CRC16的反序X↑16+X↑14+X↑1+1，裝入寄存器值為0000或FFFFH。

LRC（縱向冗余錯誤校驗(yàn)）

LRC錯誤校驗(yàn)用于ASCII模式。這個錯誤校驗(yàn)是一個8位二進(jìn)制數(shù)，可作為2個ASCII十六進(jìn)制字節(jié)傳送。把十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，加上無循環(huán)進(jìn)位的二進(jìn)制字符和二進(jìn)制補(bǔ)碼結(jié)果生成LRC錯誤校驗(yàn)（參見圖）。這個LRC在接收設(shè)備進(jìn)行核驗(yàn)，并與被傳送的LRC進(jìn)行比較，冒號（：）、回車符號（CR）、換行字符（LF）和置入的其他任何非ASCII十六進(jìn)制字符在運(yùn)算時忽略不計。

表5 LRC生成范例--讀取02號從機(jī)的前8個線圈