什么是通讯协议？

在了解什么是Modbus之前，让我们先来看看什么是通信协议。

通讯协议（Communication Protocol）是一种规则或约定，用于在计算机系统、网络设备或不同系统之间进行数据交换和通信。这些协议定义了通信的标准和规范，确保发送者和接收者之间能够正确理解和解释传输的数据。

通讯协议包括物理层协议、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议、应用层协议等多个层次，每个层次负责不同的任务。以下是通讯协议的一些关键方面：

1. 数据格式： 通讯协议规定了数据的格式，包括数据的编码方式、字节顺序、数据帧的结构等。这确保了数据在传输过程中可以被正确地解析和重建。
2. 通信方式： 协议定义了通信的方式，包括单工通信（单方向传输）、半双工通信（双方交替传输）和全双工通信（同时双向传输）等。
3. 错误检测和纠错： 通讯协议通常包括一些机制，用于检测和纠正在传输过程中可能发生的错误，以确保数据的完整性和准确性。
4. 流量控制： 通讯协议可以定义如何控制数据的流量，以避免数据过载或拥塞，从而提高通信的效率。
5. 地址和标识： 协议可以包括设备或节点的地址和标识，以确保数据被正确地发送到目标设备。
6. 会话管理： 在某些协议中，会话管理用于建立、维护和终止通信会话，确保通信的有序性和可控性。

我们常见的通信协议包括I2C、SPI、UART等，而Modbus则是一种串行通信协议。

什么是RS-485和RS-232？

在讨论Modbus时，经常会遇到RS-485和RS-232，那么它们究竟是什么呢？

RS-485（Recommended Standard 485）和 RS-232（Recommended Standard 232）是两种常用的串行通信标准，用于在计算机和外部设备之间传输数据。它们在物理层和电气特性上有一些重要的区别：

RS-232：

1. 单端口通信： RS-232 是一种单端口通信标准，即数据信号只通过一个传输线进行传输，其中包括一个发送线（TX）和一个接收线（RX）。
2. 电压电平： RS-232 使用电压电平来表示数据位。典型的RS-232电平为正负12V，其中正电压表示逻辑0，负电压表示逻辑1。
3. 通信距离： RS-232通信通常适用于较短的距离，通信距离通常不超过50英尺（约15米），并且通信速率受到距离的限制。
4. 点对点通信： RS-232通信是点对点的，每个连接只支持两台设备之间的通信，一个发送方和一个接收方。
5. 用途： RS-232常用于连接计算机和外部设备，如串行打印机、调制解调器、串行鼠标等。它也可以用于短距离的点对点通信。

RS-485：

1. 差分信号： RS-485 使用差分信号传输数据，它包括两个传输线，一个为正（A或非反相线），一个为负（B或反相线）。这种差分信号可以提高抗干扰性能。
2. 电压电平： RS-485通常使用低电平差分信号，其中正线的电压大致等于负线的电压，这有助于减少传输线上的干扰。
3. 通信距离： RS-485通信适用于较长距离，通常可覆盖几千英尺（数百米）的距离，这取决于通信速率和线缆质量。
4. 多点通信： RS-485支持多点通信，多个设备可以连接到同一传输线上，并且可以同时进行通信。这使得RS-485非常适合用于工业控制和仪表等应用，其中需要多个设备之间的数据交换。
5. 用途： RS-485通常用于工业自动化、远程监控、建筑自动化以及其他需要长距离和多设备通信的应用。它在这些领域中被广泛使用，因为它的差分信号设计使其更耐干扰，适应更长的通信距离，并支持多点通信。

如果您想进一步了解，请继续阅读：

USB转串口 TTL RS-232 RS-485 COM口 UART区别

USB转串口（USB to Serial）是一种将USB接口连接到串行通信接口的设备，通常用于将计算机连接到需要串行通信的外部设备。这些串口可以是TTL串口、RS-232串口或RS-485串口，具体区别如下：

1. TTL串口： TTL（Transistor-Transistor Logic）串口使用低电平（通常是0V表示逻辑0，3.3V或5V表示逻辑1）进行通信。它通常用于嵌入式系统和微控制器之间的通信。USB转TTL串口适用于连接计算机与TTL串口设备，例如Arduino等。
2. RS-232串口： RS-232是一种常见的串行通信标准，通常使用正负12V的电压电平表示逻辑0和逻辑1。USB转RS-232串口适用于连接计算机与老式串行设备，如串行打印机、调制解调器等。
3. RS-485串口： RS-485是一种差分信号串口标准，使用两个传输线（A和B）传输数据，其中一个线路是正相位，另一个线路是反相位。它具有抗干扰性和支持多点通信的能力，通常用于工业控制和长距离通信。USB转RS-485串口适用于连接计算机与RS-485串口设备，如工业自动化设备。
4. COM口（串口）： COM口是计算机上用于串行通信的物理接口，通常使用RS-232或RS-485标准。COM口通常用于连接外部设备，如串行打印机、GPS接收器、数据采集器等。USB转COM口适用于计算机没有内置串行接口的情况，允许用户通过USB接口模拟COM口。
5. UART（通用异步收发传输器）： UART是一种通信芯片或模块，用于将并行数据转换为串行数据以进行串行通信。UART可以与TTL、RS-232或RS-485等不同类型的串口配合使用。USB转UART通常是一个通用的串口适配器，可以用于连接不同类型的串口设备。

Modbus协议说明

Modbus诞生于1979年，最初由莫迪康公司（Modicon）开发，后来被施耐德电气公司收购。Modbus为设备和设备之间的通信提供了通用语言。它已成为工业领域通信协议的行业标准，并且是工业电子设备之间常用的连接方式之一。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议之一，有着以下优点：

– Modbus协议是开放、公开发表且无版权要求的，可以广泛应用。

– Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外线、无线等。

– Modbus协议的消息帧格式简单、紧凑且易于理解。用户容易理解和使用，制造商容易开发和集成，方便形成工业控制网络。

Modbus协议的应用

最简单地说，Modbus是一种总线通信协议，类似于I2C和SPI，但不依赖于特定的硬件总线。Modbus之所以广泛使用，是因为它具有许多优点。

Modbus通信过程

需要注意的是，Modbus是一种一主多从的通信协议。在Modbus通信中，只有一个设备可以发送请求，其他从设备接收主机发送的请求数据并进行响应。从设备可以是各种外围设备，如I/O传感器、阀门、网络驱动器或其他类型的

测量设备。从站处理信息并使用Modbus将其数据发送给主站。换句话说，不能在同一时间内进行Modbus同步通信。主机一次只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输，即主机发送请求，从机响应。如果主机没有发送请求，总线上就没有数据通信。

需要特别注意的是，Modbus通信没有忙机制判断。例如，如果主机发送命令给从机，但从机没有收到或正在处理其他任务，那么从机将无法及时响应，因为Modbus总线只负责传输数据，没有其他仲裁机制。因此，必须通过软件的方式来判断是否成功接收到数据。

Modbus存储区

既然从机存储数据，必须有一种方式来进行文件操作。我们都知道，文件可以分为只读（Read-Only，-R）和读写（Read-Write，-RW）两种类型，而Modbus也有相应的存储区。

在Modbus协议中，存储的数据类型可以分为两种主要类型：布尔量和16位寄存器。

– 布尔量：这些数据可以表示诸如IO口电平高低、灯的开关状态等。

– 16位寄存器：这些数据通常用于表示传感器的温度数据、存储密码等信息。

Modbus协议将存储区分为4个区域，分别是0、1、3和4区。其中，1区和4区是可读可写的，而0区和3区是只读的。

此外，Modbus还为每个存储区分配了地址范围。主机在向从机请求数据时，只需告诉从机数据的起始地址和要获取的字节数，从机就可以发送数据给主机。

Modbus协议类型

在Modbus协议中，数据传输可以采用不同的介质和模式，主要有三种报文类型，包括ASCII、RTU（远程终端控制系统）和TCP。

对于串行端口，Modbus协议有多个版本，但最常见的包括以下四种：

– **Modbus-RTU**：采用紧凑的16进制表示数据的方式。Modbus-RTU在数据帧中附加了循环冗余校验（CRC），用于检测数据是否正确。一个典型的Modbus-RTU报文包含从机地址、功能码、数据和CRC校验。

– **Modbus-ASCII**：采用ASCII码表示数据，每个8位字节都被转换为两个ASCII字符发送。Modbus-ASCII也包含循环冗余校验，但使用了不同的校验方法。

– **Modbus-TCP**：Modbus-TCP不需要从机地址，而是需要MBAP（Modbus Application Protocol over TCP）报文头。由于TCP本身具有校验和差错检测能力，因此Modbus-TCP不需要额外的差错校验。

– **Modbus Plus**：这是另一种Modbus协议版本，用于特定的工业应用。

在这些版本中，Modbus-RTU最为常见，而Modbus-ASCII较少使用。下面我们将详细讨论Modbus-RTU协议。

Modbus-RTU协议

Modbus报文帧结构

Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含了从机的地址、主机要执行的操作、数据以及校验码等信息。在串行链路上，Modbus报文的格式如下：

– **从机地址**：每个从机都有唯一的地址，占用一个字节，有效范围通常是1-247，其中255是广播地址，表示向所有从机发送请求。

– **功能码**：占用一个字节，它表示主机发送的请求是何种操作，不同的功能码对应不同的操作。

– **数据**：根据功能码的不同，包含不同的信息。例如，如果功能码是查询从机的数据，数据部分包括起始寄存器地址和要读取的寄存器数量。

– **校验码**：在数据传输过程中

，数据可能会受到干扰或损坏，CRC检验用于检测接收到的数据是否正确。

Modbus功能码

Modbus协议规定了多个功能码，每个功能码对应一种操作。虽然Modbus定义了多达20多种功能码，但实际应用中常用的只有其中的8种，用于对存储区的读写。以下是常用的Modbus功能码：

– **03**：读取多个寄存器的值。
– **06**：设置单个寄存器的值。
– **16**：设置多个寄存器的值。
– **01**：读取多个开关量输入。
– **02**：读取多个开关量输出。
– **05**：设置单个开关量输出。
– **15**：设置多个开关量输出。
– **23**：读取多个寄存器的值（扩展功能码）。

需要注意的是，不同的功能码对应不同的操作，因此主机在发送请求时需要指定功能码，以告知从机要执行的操作。

CRC校验

CRC（循环冗余校验）用于检测数据传输过程中的错误。在Modbus协议中，CRC校验占用两个字节，包含一个16位的二进制值。CRC值由发送设备计算并附加到数据帧上，在接收设备接收数据时重新计算CRC值，并与接收到的CRC校验值进行比较。如果这两个值不相等，就表示数据传输存在错误。

CRC校验的计算流程如下：

1. 预置一个16位寄存器为0xFFFF（全1），称之为CRC寄存器。
2. 把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。
3. 将CRC寄存器向右移动一位，最高位填充0，最低位被移出并进行检测。
4. 如果最低位为0，则重复第3步（继续下一次移位）；如果最低位为1，则将CRC寄存器与预设的固定值（0xA001）进行异或运算。
5. 重复第3步和第4步，直到进行8次移位，处理完一个完整的8位。
6. 重复第2步到第5步来处理下一个8位，直到所有字节处理完成。
7. 最终CRC寄存器中的值就是CRC校验值。

此外，还有一种使用预先计算的表格来计算CRC的方法，它具有更快的计算速度，但需要较大的存储空间。这种方法在此不做详细说明。

发送和接收数据示例

下面我们将详细介绍Modbus-RTU协议的发送和接收数据示例。

1. 主机对从机读数据操作

主机发送报文格式如下：

01 03 00 01 00 01 D5 CA

解释：

– `0x01`：从机的地址。
– `0x03`：查询功能，读取从机寄存器的数据。
– `0x00 0x01`：表示读取的起始寄存器地址，从0x0001开始读取。
– `0x00 0x01`：表示查询的寄存器数量为1个。Modbus将数据存储在寄存器中，通过查询寄存器来获取不同变量的值。一个寄存器地址对应2字节数据，寄存器地址对应从机的实际存储地址。
– `0xD5 0xCA`：循环冗余校验 (CRC)。

从机回复报文格式如下：

01 03 02 00 17 F8 4A

解释：

– `0x01`：从机的地址。
– `0x03`：查询功能，读取从机寄存器的数据。
– `0x02`：返回字节数为2个，一个寄存器对应2个字节。
– `0x00 0x17`：寄存器的值是0x0017。
– `0xF8 0x4A`：循环冗余校验 (CRC)。

2. 主机对从机写数据操作

主机发送报文格式如下：

01 06 00 01 00 17 98 04

解释：

– `0x01`：从机的地址。
– `0x06`：修改功能，修改从机寄存器的数据。
– `0x00 0x01`：表示修改的起始寄存器地址，说明要修改0x0001-0x0003的存储内容。
– `0x00 0x17`：要修改的数据值为0x0017。
– `0x98 0x04`：循环冗余校验 (CRC)。

从机回复报文格式如下：

01 06 00 01 00 17 98 04

解释：

从机的回复与主机的发送相同。如果不同，说明发生了错误。

这是一个Modbus-RTU协议的简单示例，演示了主机如何向从机发送读取和写入数据的请求，并从从机接收响应。每个Modbus报文都包含从机地址、功能码、数据以及CRC校验，以确保可靠的数据传输。

Modbus-ASCII协议

Modbus-ASCII协议与Modbus-RTU协议相似，但在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送。十六进制的0到F分别对应ASCII字符的0到9和A到F。

以下是Modbus-ASCII协议的特点：

– 每个字节都以ASCII字符表示，例如0x30~0x3A表示0到9，0x41~0

x46表示A到F。
– 字节之间使用空格分隔。
– 每个消息以回车符（CR，0x0D）和换行符（LF，0x0A）结束。

Modbus-ASCII的CRC校验与Modbus-RTU相同，但在ASCII格式下表示为ASCII字符。

Modbus-TCP协议

Modbus-TCP协议是基于TCP/IP协议的Modbus协议变种，用于在TCP/IP网络上进行通信。与Modbus-RTU和Modbus-ASCII协议不同，Modbus-TCP协议不使用物理串行链路，而是使用以太网或Wi-Fi等TCP/IP网络。

以下是Modbus-TCP协议的特点：

– Modbus-TCP使用标准的TCP/IP套接字连接，无需物理串行通信线路。
– Modbus-TCP消息与Modbus-RTU协议消息的结构相似，但不包括CRC校验。
– 在Modbus-TCP中，数据以二进制格式传输，而不是ASCII字符。
– Modbus-TCP消息通过TCP连接的套接字发送和接收。
– Modbus-TCP使用TCP端口502。

因此，与Modbus-RTU和Modbus-ASCII协议相比，Modbus-TCP协议更适合基于以太网的通信，通常用于现代工业自动化系统和设备。

总结

Modbus是一种用于工业领域通信的通用协议，具有多个版本，包括Modbus-RTU、Modbus-ASCII和Modbus-TCP。不同版本适用于不同的通信介质和场景。 Modbus-RTU通常用于串行通信，而Modbus-TCP用于以太网通信。 Modbus协议包括功能码、CRC校验等元素，用于发送和接收数据。使用Modbus协议，主机可以与从机进行通信，读取和写入数据，以实现自动化和控制系统。