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智能仪表常用协议 ModBus-RTU 详解

Modbus 一个工业上常用的通讯协议、一种通讯约定。Modbus协议包括RTU、ASCII、TCP。其中MODBUS-RTU最常用,比较简单,在单片机上很容易实现。虽然RTU比较简单,但是看协议资料、手册说得太专业了,起初很多内容都很难理解。
    所谓的协议是什么?就是互相之间的约定嘛,如果不让别人知道那就是暗号。现在就来定义一个新的最简单协议。例如,

协议: “A” --“LED灭”
       “B” --“报警”
       “C” --“LED亮”
单片机接收到“A”控制一个LED灭,单片机接收到“B”控制报警,单片机接收到“A”控制一个LED亮。那么当收到对应的信息就执行相应的动作,这就是协议,很简单吧。

  先来简单分析一条MODBUS-RTU报文,例如:01  06  00 01  00 17  98 04 
    01             06            00 01           00 17          98 04 
  从机地址        功能号          数据地址          数据         CRC校验

这一串数据的意思是:把数据 0x0017(十进制23) 写入 1号从机地址 0x0001数据地址。

先弄明白下面的东西。

1、报文
   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,就像上面的一串数据。

2、CRC校验
意义:例如上面的  98 04  是它前面的数据(01 06 00 01 00 17)通过一算法(见附录2,很简单的)计算出来的结果,其实就像是计算累加和那样。(累加和:就是010600010017加起来的值,然后它的算法就是加法)。
作用: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。比如主机发出01 06 00 01 00 17 98 04,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不能要。

3、功能号
  意义:modbus 定义。见附录1。
  作用:指示具体的操作。

MODBUS-RTU
一、一个报文分析
先声明下我们的目的,我们是要两个设备通讯,用的是MODBUS协议。上面简单介绍了:“报文”“CRC校验”“功能号”。

在单片机中拿出一部分内存(RAM)进行两个设备通讯,例如:

附件

数组后面的注释,说明
OX[20]   代表是输出线圈,用功能码 0x01,0x05,0x0F 访问, 开头地址是 0 (这个后续说明)
IX[20]    代表是输入线圈,用功能码 0x02 访问,             开头地址是 1 (这个后续说明)
另外两个一样的道理。
注意:所谓的“线圈”“寄存器”就是“位变量”“16位变量”,不要被迷惑。之所以称“线圈”我觉得应该是对于应用的设备,MODBUS协议是专门针对485总线设备(例PLC)开发的。

1、主机对从机写数据操作
如果单片机接收到一个报文那么就对报文进行解析执行相应的处理,如上面报文:
    01             06            00 01           00 17          98 04 
  从机地址        功能号          数据地址          数据         CRC校验

假如本机地址是 1 ,那么单片机接收到这串数据根据数据计算CRC校验判断数据是否正确,如果判断数据无误,则结果是:
            HoldDataReg[1]  =  0x0017;
MODBUS主机就完成了一次对从机数据的写操作,实现了通讯。

2、主机对从机读数据操作
主机进行读HoldDataReg[1] 操作,则报文是:
    01             03            00 01           00 01          D5 CA 
 从机地址        功能号          数据地址      读取数据个数       CRC校验
那么单片机接收到这串数据根据数据计算CRC校验判断数据是否正确,如果判断数据无误,则结果是:返回信息给主机,返回的信息也是有格式的:
返回内容:  
    01         03            02             0017          F8 4A
  从机地址   功能号     数据字节个数    两个字节数据    CRC校验
MODBUS主机就完成了一次对从机数据的读操作,实现了通讯。


二、MODBUS报文模型

以上了解到了MODBUS的一帧报文是如何通讯的,其实每个报文的格式都基本一样的。

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这里两个缩略词以前不知道,但是现在要明白指的是什么,“ADU”“PDU”
ADU: 应用数据单元
PDU: 协议数据单元

三、MODBUS数据模型

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四、MODBUS事务处理
  下列状态图描述了在服务器侧MODBUS事务处理的一般处理过程。
           

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五、MODBUS请求与响应
  看MODBUS协议手册,中文第 10 页开始,英文第 24 页开始。手册非常详细举例说明了MODBUS协议各个功能号的请求与响应。 



                                                         modbus协议在单片机上实现过程


MODBUS 任务处理函数

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函数中,RcvBuf 为串口接收缓冲区,如果接收了一个报文则,RcvBuf[0] 为从机地址,RcvBuf[0] 为MODBUS功能号。根据功能号做出响应,而具体的操作根据功能号在各自的函数中执行,相当于解析接收到的数据。

附录1:MODBUS-RTU功能码
 最常用功能码:
 下面“线圈”“寄存器”其实分别直的就是“位变量”“16位变量”
        01 (0x01)        读线圈 
        02 (0x02)        读离散量输入
        03 (0x03)        读保持寄存器
        04(0x04)         读输入寄存器
        05 (0x05)        写单个线圈 
        06 (0x06)        写单个寄存器
        15 (0x0F)        写多个线圈 
        16 (0x10)        写多个寄存器

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附录2:CRC Generation

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