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物聯網數據接入篇-應用層 Modbus（5）

躍曰

2024-06-14

1 評論 2013 瀏覽 5 收藏

16 分鐘

前四篇文章講述的是TCP/IP 模型中的網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層一，這里到了第四層應用層二。由于協議比較多，就分開篇來介紹。這篇講Modbus 協議,后面再講 MQTT協議、CoAP 協議、OPC 框架。都是物聯網常用的應用層協議。

第四層：應用層協議之二-物聯網Modbus 協議

Modbus協議是一種請求/應答方式的交互過程，主機主動發起通訊請求，從機響應主機的請求，從機在沒有收到主機的請求時，不會主動發送數據，從機之間不會進行通訊。

其中 Mod 是莫迪康公司，現在被施耐德電器收購。bus 是總線的意思，就是有一根主線，有主站和從站（主人和奴隸）。

Modbus 的分類

Modbus 屬于應用層協議，他依賴于物理層、數據鏈路層和傳輸層來傳輸他的電流電壓、數據幀、數據包。所以，按Modbus 所依賴的網絡接口層協議的不同，可以分為以太網通信的 Modbus、串口通信的 Modbus、無線通信的 Modbus。串口通信的 Modbus包括依賴 RS232、RS485、RS422 等。

Modbus 按照他的傳輸模式，可以分為Modbus ASCII、Modbus RTU、Modbus TCP/IP。

Modbus 總線上所有的設備傳輸模式必須相同。Modbus RTU是一種緊湊的，采用二進制表示數據的方式。Modbus ASCII是一種人類可讀的，冗長的表示方式。Modbus TCP/IP，基于 TCP/IP 的協議，用于通過以太網和互聯網進行通信。你看看，Modbus RTU是直接通過物理層和數據鏈路層傳遞幀的，不依賴傳輸層和網絡層。

Modbus 通信適用的設備

Modbus協議廣泛應用在工業控制器、傳感器、PLC、HMI、控制面板、驅動程序、動作控制、輸入/輸出設備等等。在基于串行鏈路和以太 TCP/IP 網絡的 MODBUS 上可以進行相同通信。

一些網關允許在幾種使用 MODBUS 協議的總線或網絡之間進行通信。

Modbus 網絡體系結構示例圖：

Modbus 的通用幀格式

包括地址域、功能碼、數據、差錯校驗。

主要包括：

地址域：1字節，即從機設備地址，通常1-247為有效地址，0為廣播地址。
功能碼：1字節，表明主機請求數據的類型。
數據：N字節，包含寄存器地址和寄存器數據等。
差錯校驗：對數據進行冗余校驗的結果，CRC或LRC

Modbus RTU

RTU 格式是 Modbus 協議中最常用的串行通訊格式之一，數據以二進制方式進行傳輸，采用固定的數據幀長度，傳輸效率高，適用于高速通訊和較遠距離的數據傳輸。

拓撲圖：

Modbus RTU 通常基于 RS-485 串行通信鏈路，RS-485 總線布線規范規定其必須是總線式拓撲結構。在實際布線中，通常采用手牽手菊花鏈布線方式。1 和 2,2 和 3,3 和 4 這樣連接。RS 232 只有一個主站一個從站。

幀格式：

01 03 00 00 00 02 C4 0B

01：地址

03：功能碼

00 00：數據（寄存器地址）

00 02：數據（寄存器數量）

C4 0B：CRC 校驗

起始標志（Start）：通過傳輸中的 3.5 個字符間隔實現。

地址（Address）：1 字節。

功能碼（Function Code）：1 字節。

數據（Data）：可變長度（最多 252 字節）。

錯誤校驗（CRC）：2 字節（循環冗余校驗）。

結束標志（End）：通過傳輸中的 3.5 個字符間隔實現。

Modbus RTU 特點：

協議簡潔：使用二進制格式傳輸數據，提高了通信效率。

可靠性高：通過循環冗余校驗（CRC）來確保數據的完整性。

主從架構：一個主機可以控制多個從機。從機僅在接收到主機的請求后才會發送數據，避免了通信沖突。

易于調試和監控：提供了多種調試和監控工具，便于工程師進行現場維護和故障排除。

Modbus ASCII 數據幀

ASCII 格式是 Modbus 協議中另一種常用的串行通訊格式，數據以 ASCII 碼的十六進制表示進行傳輸，數據幀長度較長，傳輸效率相對較低，適用于低速通訊和較短距離的數據傳輸。

Modbus ASCII 也是基于串口通信的。拓撲圖見上面的 RTU。

:010300000002FArn

“：”起始標志

01：地址

03：功能碼

0000：數據（寄存器地址）

0002：數據（寄存器數量）

FA：LRC 校驗

rn：結束標志

Modbus ASCII:

起始標志（Start）：一個冒號 :

地址（Address）：2 個 ASCII 字符（表示 1 字節的十六進制值）

功能碼（Function Code）：2 個 ASCII 字符（表示 1 字節的十六進制值）

數據（Data）：每字節由 2 個 ASCII 字符表示（十六進制）

錯誤校驗（LRC）：2 個 ASCII 字符（表示 1 字節的十六進制值）

結束標志（End）：CR LF（回車和換行）

Modbus TCP/IP

Modbus TCP 基于以太網通信，因此其網絡拓撲結構更為靈活。從串行鏈路上一主多從的構造，演變為多客戶端/多服務器端的構造模型。注意這里不是主站從站概念，而是客戶端/服務器的概念。

客戶端（Client）：發起通信請求，控制和監視網絡中的其他設備。

例子：HMI、PLC（作為控制器）、SCADA系統、工業計算機。

服務端（Server）：響應客戶端的請求，提供數據或執行指令。

例子：傳感器、執行器、PLC（作為被控設備）、智能儀表。

拓撲圖：

以太網通訊方式主要包括 Modbus TCP/IP 和 Modbus UDP/IP 兩種。Modbus TCP/IP 是基于以太網的一種通訊方式，它將 Modbus 協議封裝在 TCP/IP 協議棧中，通過以太網傳輸數據，采用基于連接的通訊方式，具有高速、穩定的特點。

Modbus UDP/IP 是基于 UDP/IP 協議的一種通訊方式，采用無連接的通訊方式，不保證數據的可靠性和順序，適用于對實時性要求較高、對通訊效率要求較高的應用場景。幀格式：

:010300000002FArn

“：”起始標志

01：地址

03：功能碼

0000：數據（寄存器地址）

0002：數據（寄存器數量）

FA：LRC 校驗

rn：結束標志

起始標志（Start）：無（由 TCP/IP 協議處理）

地址（Address）：1 字節

功能碼（Function Code）：1 字節

數據（Data）：可變長度

錯誤校驗（CRC）：在 Modbus TCP 頭中由 TCP/IP 協議處理

結束標志（End）：無（由 TCP/IP 協議處理）

Modbus 協議的功能碼

Modbus 協議中，功能碼用于指定請求的操作類型，例如讀取或寫入數據。每個功能碼都有特定的含義和操作。以下是常見的 Modbus 功能碼及其用途：

這里的線圈啊，寄存器都是個什么東西：

線圈 = 一個布爾量。寄存器 = word 操作。

現代 Modbus 設備，它們通常只映射到一塊內存區域。在這個內存區域中，線圈表示位操作（bit），每個線圈對應一個布爾變量（0 或 1、開或關）。而寄存器則表示字操作（word），每個寄存器對應一個整型變量。當然，也可以通過多個寄存器的組合來表示浮點數以及其他復合數據結構。在 Modbus 協議中，一個字（word）的長度是 16 位，即 2 個字節，16 個比特。

Modbus 廣播方式：單薄和廣播

單播：

在單播模式下，從站地址必須唯一，地址范圍為 1 到 247。主站通過特定地址訪問指定的從站，發出一個請求數據幀。請求數據幀的功能可以是讀取或寫入數據。從站接收到請求后，進行相應的處理，并在完成后發送一個應答數據幀，表示讀取或寫入操作成功（又要注意 RS232 只能有一個從站）。獲取數據需要輪詢一下所有的從站。單播模式圖：