Modbus Protocol
目录
第一章 MODBUS协议简介
1.1 传输方式
1.2 协议
1.2.1数据帧格式
1.2.2 地址（Address）域
1.2.3 功能（Function）域
1.2.4 数据域
1.2.5错误校验域
1.3 错误检测
第二章MODBUS功能详解
2.1 读数字输出状态（功能码01）
2.2 读数字输入状态（功能码02）
2.3 读数据（功能码03）
2.4 控制DO （功能码05）
2.5 预置多寄存器（功能码16）
第一章 MODBUS协议简介
MODBUS协议详细定义了校验码、数据序列等，这些都是特定数据交换的必要内容。
MODBUS协议在一根通讯线上使用主从应答式连接（半双工），这意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备（从机），然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。
MODBUS协议只允许在主计算机和终端设备之间通讯，而不允许独立的设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。
1.1 传输方式
传输方式是一个数据帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则，下面定义了与MODBUS 协议– RTU方式相兼容的传输方式。
u Coding System 二进制编码 8位
u Start bit 起始位 1位
u Data bits 数据位 8位
u Parity 校验 无奇偶校验
u Stop bit 停止位 1位
u Error checking 错误检测 CRC（循环冗余校验）
[注]瑞士DAE公司的网络电力仪表响应查询的时间为0.1 ~ 1.0秒（典型值为0.4秒）
响应查询的时间指主机命令发出到收到回复的时间。
1.2协议
当数据帧到达终端设备时，它通过一个简单的“端口”进入被寻址到的设备，该设备去掉数据帧的“信封”（数据头），读取数据，如果没有错误，就执行数据所请求的任务，然后，它将自己生成的数据加入到取得的“信封”中，把数据帧返回给发送者。返回的响应数据中包含了以下内容：终端从机地址(Address)、被执行了的命令(Function)、执行命令生成的被请求数据(Data)和一个校验码(Check)。发生任何错误都不会有成功的响应。
1.2.1数据帧格式
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Address
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Function
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Data
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Check
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8-Bits
|
8-Bits
|
N x 8-Bits
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16-Bits
|
图 1 – 1 .数据帧格式
1.2.2地址（Address）域
地址域在帧的开始部分，由一个字节8位（0 ~ 255）组成，这些位标明了用户指定的终端设备的地址，该设备将接收来自与之相连的主机数据。每个终端设备的地址必须是唯一的，仅仅被寻址到的终端会响应包含了该地址的查询。当终端发送回一个响应，响应中的从机地址数据便告诉了主机哪台终端正与之进行通信。
1.2.3功能（Function）域
功能域代码告诉了被寻址到的终端执行何种功能。表 1 – 1列出了瑞士DAE网络电力仪表用到的功能码，以及它们的意义和功能。
表 1 – 1 功能码
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代码
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意义
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行为
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01
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读DO状态
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获得数字（继电器）输出的当前状态（ON/OFF）
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02
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读DI状态
|
获得数字输入的当前状态（ON/OFF）
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03
|
读数据寄存器
|
获得一个或多个寄存器的当前二进制值
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05
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控制DO
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控制数字（继电器）输出状态（ON/OFF）
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16
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预置多寄存器
|
设定二进制值到一系列多寄存器中
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1.2.4数据(Data)域
数据域包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者设置值。例如：功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和从机之间的不同内容而有所不同。
1.2.5错误校验(Check)域
该域允许主机和终端检查传输过程中的错误。有时，由于电噪声和其它干扰，一组数据在从一个设备传输到另一个设备时在线路上可能会发生一些改变，出错校验能够保证主机或者终端不去响应那些传输过程中发生了改变的数据，这就提高了系统的安全性和效率，出错校验使用了16位循环冗余的方法（CRC16）。
[注] 发送序列总是相同的 – 地址、功能码、数据和与方向相关的出错校验。
1.3错误检测
循环冗余校验（CRC）域占用两个字节，包含了一个16位的二进制值。CRC值由传送设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。
CRC运算时，首先将一个16位的寄存器预置为全1，然后连续把数据帧中的每个字节中的8位与该寄存器的当前值进行运算，仅仅每个字节的8个数据位参与生成CRC，起始位和终止位以及可能使用的奇偶位都不影响CRC。
在生成CRC时，每个字节的8位与寄存器中的内容进行异或，然后将结果向低位移位，高位则用“0”补充，位（LSB）移出并检测，如果是1，该寄存器就与一个预设的固定值（0A001H）进行一次异或运算，如果位为0，不作任何处理。
上述处理重复进行，直到执行完了8次移位操作，当最后一位（第8位）移完以后，下一个8位字节与寄存器的当前值进行异或运算，同样进行上述的另一个8次移位异或操作，当数据帧中的所有字节都作了处理，生成的值就是CRC值。
生成一个CRC的流程为：
- 1、 预置一个16位寄存器为0FFFFH（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寄存器向右移一位。
- 4、 如果位为0：重复第三步（下一次移位）。
如果位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（1010 0000 0000 0001）进行异或运算。 - 5、 重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。
- 6、 重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。
- 7、 CRC寄存器得值就是CRC的值。
- 8、 CRC寄存器发送时将高位、低位互换。
注：
CRC校验可用插表法和运算法两种方法实现，具体范例请看附录。
第二章 MODBUS功能详解
本章的目标是为使用DAE网络电力仪表构造系统的程序员定义特定有效命令的通用格式，在每条数据查询格式说明的后面有一个该数据查询所执行的功能的解释和一个例子。
第一章已经简述了协议和数据帧，使用DAE网络电力仪表的程序员可以使用下述的方法以便通过协议正确地建立与它们通讯的特定应用程序。
本章所述协议将尽可能的使用如图2 – 1 所示的格式，（数字为16进制）。
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Addr
|
Fun
|
Data start reg hi
|
Data start reg lo
|
Data #of regs hi
|
Data #of regs lo
|
CRC16
Hi
|
CRC16
Lo
|
|
06H
|
03H
|
00H
|
00H
|
00H
|
21H
|
84H
|
65H
|
注：
- Addr:从机地址
- Fun:功能码
- Data start reg hi：数据起始地址 寄存器高位
- Data start reg lo：数据起始地址 寄存器低位
- Data #of reg hi：数据读取个数 寄存器高位
- Data #of reg lo：数据读取个数 寄存器低位
- CRC16 Hi: 循环冗余校验 高位
- CRC16 Lo: 循环冗余校验 低位
- 图 2 – 1 协议例述
2.1读数字输出状态（功能码01）
查询数据帧
此功能允许用户获得指定地址的从机控制的特定地址的DO输出状态 ON/OFF（1 = ON , 0 = OFF），除了从机地址和功能域，数据帧还需要在数据域中包含将被读取DO的初始地址和要读取的DO数量。SRTU510中DO的地址从0000H开始（DO1=0000H，DO2=0001H）。
图 2 – 2 的例子是从地址为17的从机读取DO1到DO6的状态。
（例如：有6个DO，DO的地址应该为0001~0006）
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Addr
|
Fun
|
DO start reg hi
|
DO start reg lo
|
DO #of regs hi
|
DO #of regs lo
|
CRC16
Hi
|
CRC16
Lo
|
|
11H
|
01H
|
00H
|
00H
|
00H
|
06H
|
BEH
|
98H
|
图 2 – 2 读DO1~DO6的查询数据帧
响应数据帧
响应包含从机地址、功能码、数据的数量和CRC错误校验，数据包中每个DO占用一位（1 = ON , 0 = OFF），第一个字节的位为寻址到的DO值，其余的在后面。
图2 – 3 所示为读数字输出状态响应的实例。
（DO1 = OFF , DO2=ON,DO3=OFF,DO4=ON,DO5=OFF,DO6 = ON）
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Addr
|
Fun
|
Byte count
|
Data
|
CRC16 hi
|
CRC16 lo
|
|
11H
|
01H
|
01H
|
2AH
|
D4H
|
97H
|
DO状态
|
0
|
0
|
DO6
|
DO5
|
DO4
|
DO3
|
DO2
|
DO1
|
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
图 2 – 3 读DO1~DO6状态的响应数据帧
2.2读数字输入状态（功能码02）
查询数据帧
此功能允许用户获得DI的状态 ON / OFF（1 = ON , 0 = OFF），除了从机地址和功能域，数据帧还需要在数据域中包含将被读取DI的初始地址和要读取的DI数量。SRTU510中DI的地址从0000H开始（DI1=0000H，DI2=0001H依此类推）。具体地址请查看第三章。
图 2 – 4 的例子是从地址为17的从机读取DI1到DI16的状态。
（例如：SRTU510有16个DI，DI的数量为1~16）
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Addr
|
Fun
|
DI start
addr hi
|
DI start
addr lo
|
DI num
hi
|
DI num
lo
|
CRC16
hi
|
CRC16
lo
|
|
11H
|
02H
|
00H
|
00H
|
00H
|
10H
|
7BH
|
56H
|
图 2 – 4 读DI1到DI16的查询
响应据数帧
响应包含从机地址、功能码、数据的数量和CRC错误校验，数据帧中每个DI占用一位（1 = ON , 0 = off），第一个字节的位为寻址到的DI值，其余的在后面。
图2-5 所示为读数字输出状态( DI1=on, DI2=on, DI3=off, DI4=off , DI5=on, DI6=on, DI7=off, DI8=off , DI9=off, DI10=off, DI11=on, DI12=on, DI13=off, DI14=off, DI15=on, DI16=on)响应的实例。
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Addr
|
Fun
|
Byte count
|
Data1
|
Data2
|
CRC16 hi
|
CRC16 lo
|
|
11H
|
02H
|
02H
|
33H
|
CCH
|
6CH
|
DEH
|
|
DI8
|
DI7
|
DI6
|
DI5
|
DI4
|
DI3
|
DI2
|
DI1
|
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
|
DI16
|
DI15
|
DI14
|
DI13
|
DI12
|
DI11
|
DI10
|
DI9
|
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
图 2 – 5 读DI1到DI16状态的响应
2.3读数据（功能码03）
查询数据帧
此功能允许用户获得设备采集与记录的数据及系统参数。
图2 – 6 的例子是从17号从机（EPM420）读3个采集到的基本数据（数据帧中每个地址占用2个字节）U1,U2,U3, EPM420中U1的地址为0000H, U2的地址为0001H, U3的地址为0002H,
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Addr
|
Fun
|
Data start
addr hi
|
Data start
addr lo
|
Data #of
regs hi
|
Data #of
regs lo
|
CRC16
hi
|
CRC16
lo
|
|
11H
|
03H
|
00H
|
00H
|
00H
|
03H
|
07H
|
5BH
|
图 2 – 6 读U1、U2、U3的查询数据帧
响应数据帧
响应包含从机地址、功能码、数据的数量和CRC错误校验。
图 2 – 6的例子是读取U1,U2,U3(U1=03E8H,U2=03E7H,U3=03E9H)的响应。
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Addr
|
Fun
|
Byte
count
|
Data1
hi
|
Data1
Lo
|
Data 2
hi
|
Data2
lo
|
Data3
hi
|
Data3
lo
|
CRC16
hi
|
CRC16
lo
|
|
11H
|
03H
|
06H
|
03H
|
E8H
|
03H
|
E7H
|
03H
|
E9H
|
FDH
|
9CH
|
图 2 – 7读U1,U2,U3 的响应数据帧
2.4控制DO （功能码05）
查询数据帧
该数据帧强行设置一个独立的DO为 ON 或OFF，DAE公司产品的内部DO有的以集电极开路方式输出，有的以继电器输出，有的还可以选择电平方式（LATCH）或脉冲方式（PULSE）方式输出，具体使用请参考产品手册。SRTU系列产品的DO的地址从0000H开始（DO1 = 0000H，DO2 = 0001H）。
数据FF00H将设DO为ON状态，而0000H则将设DO为OFF 状态; 所有其它的值都被忽略，并且不影响DO。
下面的例子是请求17号从机设置DO1为ON状态。
|
Addr
|
Fun
|
DO addr
hi
|
DO addr
Lo
|
Value
Hi
|
Value
lo
|
CRC16
hi
|
CRC16
lo
|
|
11H
|
05H
|
00H
|
00H
|
FFH
|
00H
|
8EH
|
AAH
|
图示 2-8 控制独立的DO查询
响应数据帧
对这个命令请求的正常响应是在DO状态改变以后回传接收到的数据。
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Addr
|
Fun
|
Do addr
Hi
|
Do addr
Lo
|
Value
Hi
|
Value
Lo
|
CRC16
Hi
|
CRC16
Lo
|
|
11H
|
05H
|
00H
|
00H
|
FFH
|
00H
|
8EH
|
AAH
|
图示 2-9 控制独立DO的响应响应
2.5预置多寄存器（功能码16）
查询数据帧
功能码16(十进制)（十六进制为10H）允许用户改变多个寄存器的内容，DAE产品的系统内部的许多寄存器都可以使用此命令来改变其值。
注意：禁止对不具有可写属性的单元使用此命令改写。
下面的例子是预置17号从机(EPM420数据帧中每个地址为16位存储) 正向有功电度EP+为178077833Kwh。 EP+的地址是0040H， EP+占用32位，共4个字节。
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Addr
|
Fun
|
Data start
reg hi
|
Data start
reg lo
|
Data #of
reg hi
|
Data #of
reg lo
|
Byte
Count
|
Value
hi
|
Value
Lo
|
Value
hi
|
Value
lo
|
CRC
hi
|
CRC
lo
|
|
11H
|
10H
|
00H
|
40H
|
00H
|
02H
|
04H
|
40H
|
89H
|
0AH
|
9DH
|
A0H
|
7CH
|
图示 2-10 预置EP+
响应数据帧
对于预置单寄存器请求的正常响应是在寄存器值改变以后将接收到的数据传送回去。
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Addr
|
Fun
|
Data start
reg hi
|
Data start
reg lo
|
Data #of
reg hi
|
Data #of
Reg lo
|
CRC16
hi
|
CRC16
lo
|
|
11H
|
10H
|
00H
|
40H
|
00H
|
02H
|
42H
|
8CH
|
图示 2-11 EP+响应
附录1：CRC校验程序范例（DOS,C++）
