上位機(jī)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用之Modbus通信

Modbus協(xié)議能夠成為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的協(xié)議，它必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、免費(fèi)：這個(gè)是最大的前提，任何產(chǎn)品都是一樣，只有通過(guò)免費(fèi)才能獲取到前期最大的使用量。2、簡(jiǎn)單：Modbus協(xié)議幀格式簡(jiǎn)單緊湊，用戶(hù)容易理解，廠商容易集成。3、接口：Modbus協(xié)議只是一種規(guī)約，屬于應(yīng)用層的協(xié)議，因此不僅可以應(yīng)用在串口（485/232/422），也可以在以太網(wǎng)、光纖、藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)上傳輸。存儲(chǔ)區(qū)分類(lèi)

我一般介紹Modbus協(xié)議的時(shí)候，喜歡站在Modbus規(guī)約制定者的角度，結(jié)合一些事物來(lái)對(duì)比說(shuō)明，這樣對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，可能會(huì)更加容易理解。假設(shè)沒(méi)有Modbus協(xié)議，我們想要制定一個(gè)協(xié)議，我們首先要明確，協(xié)議的目的是為了數(shù)據(jù)傳輸，因此，為了更好地存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，我們會(huì)將布爾和非布爾的數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，因此，就有了線(xiàn)圈和寄存器的概念。線(xiàn)圈和寄存器，這個(gè)經(jīng)常被很多人詬病，認(rèn)為不應(yīng)該這么翻譯，感覺(jué)不容易理解。從電氣角度來(lái)看，在電氣控制回路中，一般都是靠接觸器或中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，接觸器或中繼最終靠的是線(xiàn)圈的得電和失電來(lái)控制觸點(diǎn)閉合和斷開(kāi)，因此用線(xiàn)圈表示布爾量；而寄存器在計(jì)算機(jī)中，就是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，因此非布爾的數(shù)據(jù)放在寄存器里。這個(gè)可以跟PLC的存儲(chǔ)區(qū)來(lái)進(jìn)行對(duì)比，西門(mén)子的I/Q/M都是線(xiàn)圈，V/T/C/DB都是寄存器，三菱的X/Y都是線(xiàn)圈，D/W/H都是寄存器，歐姆龍的CIO是線(xiàn)圈，D/W/H是寄存器。以西門(mén)子為例，雖然I和Q都表示線(xiàn)圈，但是他們的分工是不同的，I表示輸入，Q表示輸出，輸入意味著該存儲(chǔ)區(qū)里的值必須由外部設(shè)備接入，是只讀的，輸出表示輸出結(jié)果給外部設(shè)備，是可讀可寫(xiě)的。因此，Modbus的線(xiàn)圈和寄存器應(yīng)該也按照只讀、讀寫(xiě)來(lái)進(jìn)一步細(xì)分，因此這就形成了Modbus的存儲(chǔ)區(qū)，如下表所示：序號(hào)讀寫(xiě)存儲(chǔ)類(lèi)型存儲(chǔ)區(qū)名稱(chēng)1只讀線(xiàn)圈輸入線(xiàn)圈2讀寫(xiě)線(xiàn)圈輸出線(xiàn)圈3只讀寄存器輸入寄存器4讀寫(xiě)寄存器保持寄存器存儲(chǔ)區(qū)代號(hào)

然而，上面表格里的存儲(chǔ)區(qū)名稱(chēng)是一個(gè)全稱(chēng)，開(kāi)發(fā)和使用中使用全稱(chēng)會(huì)比較麻煩，因此需要給他們?nèi)€(gè)別名，就像西門(mén)子的I/Q/M一樣，這些都是西門(mén)子給存儲(chǔ)區(qū)取的一個(gè)代號(hào)，所以Modbus也要給這些存儲(chǔ)區(qū)取一個(gè)代號(hào)，干脆直接用數(shù)字吧，于是，就有了下面的規(guī)定：存儲(chǔ)區(qū)名稱(chēng)存儲(chǔ)區(qū)代號(hào)輸入線(xiàn)圈1區(qū)輸出線(xiàn)圈0區(qū)輸入寄存器3區(qū)保持寄存器4區(qū)這個(gè)其實(shí)就跟我們的姓名和小名一樣，姓名是正式場(chǎng)合使用，日常場(chǎng)合，我們一般可以使用小名。存儲(chǔ)區(qū)范圍

無(wú)論是什么存儲(chǔ)區(qū)，都會(huì)有一個(gè)范圍的限制，就像西門(mén)子的M區(qū)可能最大到8192，三菱的X區(qū)最大到2048，Modbus的每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)也應(yīng)該規(guī)定一個(gè)范圍，不能無(wú)限制使用。Modbus是這么規(guī)定的，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)的最大范圍是65536，這個(gè)范圍是很大的。我們?cè)僖匀獾腦區(qū)為例，如果最大范圍是2048，那么意味著我們只能訪問(wèn)X0-X2047這些地址，我們這里說(shuō)的X0、X2047，就是我們常說(shuō)的PLC地址，那么這個(gè)地址是怎么組成的呢？它是由存儲(chǔ)區(qū)編號(hào)加上一個(gè)地址索引組成，我們把這樣的PLC地址，理解為絕對(duì)地址，后面的地址索引，理解為相對(duì)地址。所謂絕對(duì)地址，就是我們僅僅通過(guò)一個(gè)地址名稱(chēng)，就能知道是什么存儲(chǔ)區(qū)的第幾個(gè)數(shù)據(jù)，而這個(gè)第幾個(gè)，就是我們說(shuō)的相對(duì)地址，因此絕對(duì)地址是唯一的，相對(duì)地址，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)都有。那么對(duì)于Modbus來(lái)說(shuō)，我們的絕對(duì)地址和相對(duì)地址是怎么樣的呢？我們?nèi)匀蛔駨墓剑航^對(duì)地址=區(qū)號(hào)+相對(duì)地址。但是也會(huì)有一些不一樣的地方，以保持型寄存器為例，第一個(gè)絕對(duì)地址是400001，這個(gè)地方不是400000，這個(gè)是由Modbus規(guī)約決定的，其它存儲(chǔ)區(qū)也是類(lèi)似的。

因此，Modbus存儲(chǔ)區(qū)范圍如下圖所示：正如上文所說(shuō)，65536這個(gè)范圍是很大的，但在實(shí)際使用中，我們一般用不了這么多地址，一般情況下，10000以?xún)?nèi)就已經(jīng)足夠我們使用了，因此，為了方便起見(jiàn)，我們有一種短的地址模型，如下圖所示：功能碼

功能碼這個(gè)概念，我們可以這么去理解，先回到我們的初衷，協(xié)議的目的是為了數(shù)據(jù)傳輸，也就是為了讀取數(shù)據(jù)和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)確定好4個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，那么接下來(lái)我們就要對(duì)這些存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)，那么可能會(huì)產(chǎn)生很多種不同的行為，比如讀取輸入線(xiàn)圈存儲(chǔ)區(qū)、讀取輸出線(xiàn)圈存儲(chǔ)區(qū)，這就是兩種不同的行為，同樣的，如果用讀取輸入線(xiàn)圈存儲(chǔ)區(qū)、讀取輸出線(xiàn)圈存儲(chǔ)區(qū)，會(huì)比較麻煩，那么我們干脆給每種形成指定一個(gè)代號(hào)，那么這種代號(hào)就是功能碼。我們?cè)賮?lái)探討一下，究竟有多少種不同的行為呢？讀取和寫(xiě)入是2種行為，存儲(chǔ)區(qū)有4個(gè)，但是我們知道輸入線(xiàn)圈和輸入寄存器是只讀的，因此不能進(jìn)行寫(xiě)入，除去這2種的話(huà)，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生6種不同的行為，如下圖所示：行為序號(hào)具體行為1讀取輸入線(xiàn)圈2讀取輸出線(xiàn)圈3讀取輸入寄存器4讀取保持寄存器5寫(xiě)入輸出線(xiàn)圈6寫(xiě)入保持寄存器然而，Modbus規(guī)約將寫(xiě)入輸出線(xiàn)圈和寫(xiě)入保持寄存器這2種行為，又進(jìn)一步做了細(xì)分，包括寫(xiě)入單個(gè)和寫(xiě)入多個(gè)，因此原來(lái)的6種行為就變成了8種行為，同時(shí)給每種行為設(shè)置一個(gè)代號(hào)，就形成了下圖所示的功能碼列表：功能碼功能說(shuō)明0x01讀取輸出線(xiàn)圈0x02讀取輸入線(xiàn)圈0x03讀取保持寄存器0x04讀取輸入寄存器0x05寫(xiě)入單個(gè)線(xiàn)圈0x06寫(xiě)入單個(gè)寄存器0x0F寫(xiě)入多個(gè)線(xiàn)圈0x10寫(xiě)入多個(gè)寄存器Modbus規(guī)約中的功能碼其實(shí)不止這8個(gè)，還有一些功能碼是用于診斷或異常碼，但是一般很少使用，這8種功能碼是最主要的核心功能碼。協(xié)議分類(lèi)

Modbus嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)約，而不是一個(gè)具體協(xié)議。我們常說(shuō)的設(shè)備A和設(shè)備B之間通過(guò)Modbus協(xié)議來(lái)通信，這句話(huà)其實(shí)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。Modbus規(guī)約上有三種不同的協(xié)議報(bào)文幀，分別是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp。一般來(lái)說(shuō)，ModbusRtu和ModbusAscii是運(yùn)行在串口上的協(xié)議，ModbusTcp是運(yùn)行在以太網(wǎng)上的協(xié)議，但是這并非絕對(duì)的，我們也可以將ModbusRtu、ModbusAscii運(yùn)行在以太網(wǎng)或光纖上使用，同樣的，在串口網(wǎng)絡(luò)里，我們也可以使用ModbusTcp的協(xié)議，因?yàn)閰f(xié)議只是一種規(guī)范，并不限制通信介質(zhì)。報(bào)文格式前面我們說(shuō)了Modbus有三種不同的協(xié)議，分別是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp，那么這三種協(xié)議的報(bào)文格式也是不同的，下面分別對(duì)這三種協(xié)議的報(bào)文格式進(jìn)行說(shuō)明：ModbusRtu的報(bào)文格式如下：第一部分：從站地址，占1個(gè)字節(jié)第二部分：功能碼，占1個(gè)字節(jié)第三部分：數(shù)據(jù)部分，占N個(gè)字節(jié)第四部分：校驗(yàn)部分，CRC校驗(yàn)，占2個(gè)字節(jié)2.

ModbusAscii的報(bào)文格式如下：第一部分：開(kāi)始字符（:）第二部分：從站地址，占2個(gè)字節(jié)第三部分：功能碼，占2個(gè)字節(jié)第四部分：數(shù)據(jù)部分，占N個(gè)字節(jié)第五部分：校驗(yàn)部分，LRC校驗(yàn)，占2個(gè)字節(jié)第六部分：結(jié)束字符（CRLF）3.

ModbusTcp的報(bào)文格式如下：第一部分：事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符，占2個(gè)字節(jié)第二部分：協(xié)議標(biāo)識(shí)符，占2個(gè)字節(jié)第三部分：長(zhǎng)度，占2個(gè)字節(jié)第四部分：?jiǎn)卧獦?biāo)識(shí)符，占1個(gè)字節(jié)第五部分：功能碼，占1個(gè)字節(jié)第六部分：數(shù)據(jù)部分，占N個(gè)字節(jié)調(diào)試軟件Modbus學(xué)習(xí)成本很低，因?yàn)閰f(xié)議是公開(kāi)免費(fèi)的，我們可以直接獲取到《Modbus中文協(xié)議文檔》。同時(shí)，也有很多調(diào)試軟件可以進(jìn)行仿真調(diào)試，因此我們可以在不購(gòu)買(mǎi)任何硬件的情況下，就把Modbus協(xié)議學(xué)好。Modbus調(diào)試軟件可以通過(guò)本公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)201直接獲取。Modbus學(xué)習(xí)必須要配合相關(guān)的調(diào)試軟件，可以達(dá)到事半功倍的效果，Modbus學(xué)習(xí)必備的三大神器分別是ModbusPoll、ModbusSlave及VSPD，ModbusPoll軟件主要用于仿真Modbus主站或Modbus客戶(hù)端，ModbusSlave軟