STM32–MODBUS 通訊篇

一、MODBUS簡介

①Modbus協議是一種請求/應答的串行鏈路協議，是一種工業現場總線協議標準，是一項應用層報文傳輸協議，用于在通過不同型別的總線或網路連接的設備之間的客戶機/服務器通信，

②Modbus協議是一項應用層報文傳輸協議，包括ASCII、RTU、TCP三種報文型別，

③標準的Modbus協議物理層介面有RS232、RS422、RS485和以太網介面，采用master/slave方式通信，

④MODBUS 是一項應用層報文傳輸協議，用于在通過不同型別的總線或網路連接的設備之間的客戶機/服務器通信，

MODBUS 通用幀如圖：

二、MODBUS功能碼詳解

1. 暫存器分類

Modbus暫存器分為四種，如表

2. 常用功能碼

Modbus中常用功能碼有8個，可以分為位操作和字操作兩類，如表所示：

2. 常用功能碼說明

①讀線圈暫存器——01H

●功能碼01H讀取Modbus從機中線圈暫存器的狀態，可以是單個暫存器，或者多個連續的暫存器，

●假設從機地址為01H，讀取的線圈暫存器的起始地址為0017H，讀取38個暫存器，指令如表所示：
發送讀線圈暫存器指令：

●回應：各線圈的狀態與資料內容的每個bit對應，1代表ON，0代表OFF，如果查詢的線圈數量不是8的倍數，則在最后一個位元組的高位補0，

讀線圈暫存器狀態回應：

●其中，第一個位元組CDH對應線圈0017H到001E的狀態，轉為二進制是11001101，其中bit0對應0017H，bit7對應001E，如表所示：

線圈0017H到001EH的狀態：

●最后一個位元組為1BH，對應線圈0037H到003CH的狀態，轉為二進制是00011011，其中bit0對應0037H，bit5對應003CH，其余兩位用0填充，如表所示：

線圈0037H到003CH的狀態：

②讀離散輸入暫存器——02H

●功能碼02H讀取Modbus從機中離散輸入暫存器的狀態，可以是單個暫存器，或者多個連續的暫存器，

●假設從機地址為01H，讀取的離散輸入暫存器的起始地址為00C4H，讀取22個暫存器，指令如表所示：

發送讀離散輸入暫存器指令：

●回應：各個離散輸入暫存器的狀態與資料內容的每個bit對應，1代表ON，0代表OFF，如果查詢的線圈數量不是8的倍數，則在最后一個位元組的高位補0

讀離散輸入暫存器的回傳結果：

●其中，第一個位元組ACH對應00C4H到00CBH暫存器的狀態，轉為二進制是10101100，其中bit0對應00C4H，bit7對應00CB，如表所示：

暫存器00C4H到00CBH的狀態:

●最后一個位元組為35H，對應暫存器00D4H到00D9H的狀態，轉為二進制是00110101，其中bit0對應00D4H，bit5對應00D9H，其余兩位用0填充，如表所示：

暫存器00D4H到00D9H的狀態

③讀保持暫存器——03H

●功能碼03H讀取Modbus從機中保持暫存器的資料，可以是單個暫存器，或者多個連續的暫存器，
●假設從機地址為01H，讀取的保持暫存器的起始地址為006BH，讀取3個暫存器，指令如表所示：

發送讀保持暫存器指令：

●回應：每個保持暫存器的長度為2個位元組，保持暫存器之間，低地址暫存器先傳輸，高地址暫存器后傳輸，單個保持暫存器，高位元組資料先傳輸，低位元組資料后傳輸，

讀保持暫存器的回傳結果：

④讀輸入暫存器——04H

●功能碼04H讀取Modbus從機中輸入暫存器的資料，可以是單個暫存器，或者多個連續的暫存器，
●假設從機地址為01H，讀取的保持暫存器的起始地址為0008H，讀取2個暫存器，指令如表所示：

發送讀輸入暫存器指令：

●回應：每個輸入暫存器的長度為2個位元組，輸入暫存器之間，低地址暫存器先傳輸，高地址暫存器后傳輸，單個輸入暫存器，高位元組資料先傳輸，低位元組資料后傳輸，

讀輸入暫存器的回傳結果：

⑤寫單個線圈暫存器——05H

●功能碼05H寫單個線圈暫存器，FF00H請求線圈處于ON狀態，0000H請求線圈處于OFF狀態，
●假設從機地址為01H，線圈暫存器的地址為00ACH，使其處于ON狀態的指令，如表所示：

發送寫單個線圈指令：

●回應：如果寫入成功，回傳發送的指令，即010500ACFF004C1B，

⑥寫單個保持暫存器——06H

●功能碼06H寫單個保持暫存器，
●假設從機地址為01H，保持暫存器的地址為0001H，資料位0003H，指令如表所示：

發送寫單個保持暫存器指令：

●回應：如果寫入成功，回傳發送的指令，即010600010003980B，

⑦寫多個線圈暫存器——0FH

●功能碼0FH寫多個線圈暫存器，如果對應的資料位為1，表示線圈狀態為ON；如果對應的資料位為0，表示線圈狀態為OFF，線圈暫存器之間，低地址暫存器先傳輸，高地址暫存器后傳輸，單個線圈暫存器，高位元組資料先傳輸，低位元組資料后傳輸，如果寫入的線圈暫存器的個數不是8的倍數，則在最后一個位元組的高位補0，

●假設從機地址為01H，線圈暫存器的起始地址為0013H，寫入10個暫存器，指令如表所示：

發送寫入多個線圈暫存器指令：

●其中，CDH對應線圈0013H到001AH的內容，01H對應線圈001B到001CH的內容，未使用位用0填充，

線圈暫存器0013H到001CH的內容：

●回應：如果寫入成功，回傳寫入的暫存器數量，如表所示

寫多個線圈暫存器的回傳結果：

⑧寫多個保持暫存器——10H

●功能碼10H寫多個保持暫存器，其中每個保持暫存器的長度為兩個位元組，
●假設從機地址為01H，保持暫存器的起始地址為0001H，寫入2個暫存器，指令如表所示：

發送寫入多個保持暫存器指令：

●回應：如果寫入成功，回傳寫入的暫存器數量，如表所示：

3.小結

●功能碼詳解主要參考文獻為：
https://blog.csdn.net/lakerszhy/article/details/68927178?locationNum=4&fps=1

三、MODBUS協議詳解

1.兩種串行傳輸模式

①.ASCII模式

編碼系統:
十六進制，ASCII 字符 0-9， A-F，報文中每個 ASCII 字符含有 1 個十六進制字符

Bits per Byte:
1 起始位
7 資料位， 首先發送最低有效位
1 位作為奇偶校驗
1 停止位

奇偶校驗 ：
●偶校驗是要求的， 其它模式 ( 奇校驗， 無校驗 ) 也可以使用， 為了保證與其它產品的最大兼容性，同時支持無校驗模式是建議的，默認校驗模式模式 必須為偶校驗，
注 : 使用無校驗要求 2 個停止位，

字串行傳送：
●每個字符或位元組均由此順序發送(從左到右):
●最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)，資料傳輸如圖：
●有奇偶檢驗

●無奇偶檢驗：

Modbus ASCII 報文幀：
在 ASCII 模式， 報文用特殊的字符區分幀起始和幀結束，一個報文必須以一個‘冒號’ ( : )(ASCII 十六進制 3A )起始，以 ‘回車-換行’ (CR LF) 對 (ASCII 十六進制 0D 和 0A) 結束，
注 : LF 字符可以通過特定的 Modbus 應用命令 (參見 Modbus 應用協議規范) 改變，

對于所有的域，允許傳送的字符為十六進制 0–9， A–F (ASCII 編碼)， 設備連續的監視總線上的 ‘冒號’ 字符， 當收到這個字符后，每個設備解碼后續的字符一直到幀結束，

報文幀包括：起始、地址、功能碼、資料、LRC校驗位、結束，如圖：

注：每個字符子節需要用兩個字符編碼，因此，為了確保 ASCII 模式 和 RTU 模式在 Modbus 應用級兼容，ASCII
資料域最大資料長度為 (2x252) 是 RTU 資料域 (252) 的兩倍，
必然的， Modbus ASCII 幀的最大尺寸為 513 個字符，

ASCII 傳輸模式狀態如圖：

幀檢驗域：
①幀檢驗方式為：:縱向冗余校驗 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking)

②LRC 域檢驗不包括起始“冒號”和結尾 CRLF 對的整個報文的內容，不管報文有無奇偶校驗，均執行此檢驗，

③LRC 域為一個子節，包含一個 8 位二進制值，LRC 值由發送設備計算，然后將 LRC 附在報文后面，接收設備在接收報文時重新計算 LRC 的值，并將計算結果于實際接收到的 LRC 值相比較，如果兩個值不相等，則為錯誤，LRC 的計算, 對報文中的所有的連續 8 位位元組相加，忽略任何進位，然后求出其二進制補碼，執行檢驗針對不包括起始“冒號”和結尾 CRLF 對的整個 ASCII 報文域的內容，在 ASCII 模式，LRC 的結果被 ASCII 編碼為兩個位元組并放置于 ASCII 模式報文幀的結尾， CRLF 之前，

②.RTU模式

RTU模式：報文中每個 8 位位元組含有兩個 4 位十六進制字符，這種模式的主要優點是較高的資料密度，在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的吞吐率，每個報文必須以連續的字符流傳送，

編碼系統:

8–位二進制報文中每個 8 位位元組含有兩個 4 位十六進制字符(0–9， A–F)

Bits per Byte:

1 起始位
8 資料位， 首先發送最低有效位
1 位作為奇偶校驗
1 停止位

奇偶校驗 ：
●偶校驗是要求的， 其它模式 ( 奇校驗， 無校驗 ) 也可以使用， 為了保證與其它產品的最大兼容性，同時支持無校驗模式是建議的，默認校驗模式模式 必須為偶校驗，
注 : 使用無校驗要求 2 個停止位，

字串行傳送：
●每個字符或位元組均由此順序發送(從左到右):
●最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)，資料傳輸如圖：
●有奇偶校驗：

●無奇偶校驗：

Modbus RTU 報文幀：

RTU 報文幀描述如圖 :

注意： Modbus RTU 幀最大為 256 位元組，

●在 RTU 模式，報文幀由時長至少為 3.5 個字符時間的空閑間隔區分，在后續的部分，這個時間區間被稱作 t3.5，如果兩個字符之間的空閑間隔大于 1.5 個字符時間，則報文幀被認為不完整應該被接收節點丟棄，傳輸格式如圖：

注 :
RTU 接收驅動程式的實作，由于 t1.5 和 t3.5 的定時，隱含著大量的對中斷的管理，在高通信速率下，這導致 CPU 負擔加重，因此，在通信速率等于或低于 19200 Bps 時，這兩個定時必須嚴格遵守；對于波特率大于 19200 Bps 的情形，應該使用 2 個定時的固定值：建議的字符間超時時間(t1.5)為 750μs，幀間的超時時間 (t1.5) 為 1.750ms，

●下圖表示了對 RTU 傳輸模式狀態圖的描述， “主節點” 和 “子節點” 的不同角度均在相同的圖中表示：

上面狀態圖的一些解釋:
● 從 “初始” 態到 “空閑” 態轉換需要 t3.5 定時超時: 這保證幀間延遲
● “空閑” 態是沒有發送和接收報文要處理的正常狀態，
●在 RTU 模式， 當沒有活動的傳輸的時間間隔達 3.5 個字符長時，通信鏈路被認為在 “空閑”
態，
●當鏈路空閑時， 在鏈路上檢測到的任何傳輸的字符被識別為幀起始， 鏈路變為 “活動” 狀態，
然后， 當鏈路上沒有字符傳輸的時間間個達到 t3.5 后，被識別為幀結束，
● 檢測到幀結束后，完成 CRC 計算和檢驗，然后，分析地址域以確定幀是否發往此設備，如果不是，則丟棄此幀， 為了減少接收處理時間，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整個幀結束，這樣，CRC 計算只需要在幀尋址到該節點 (包括廣播幀) 時進行，

幀檢驗域：
①幀檢驗方式為：回圈冗余校驗 (CRC)

②CRC 包含由兩個 8 位位元組組成的一個 16 位值，

③CRC 域作為報文的最后的域附加在報文之后，計算后，首先附加低位元組，然后是高位元組，CRC

④高位元組為報文發送的最后一個子節，附加在報文后面的 CRC 的值由發送設備計算，接收設備在接收報文時重新計算 CRC 的值，
并將計算結果于實際接收到的 CRC 值相比較，如果兩個值不相等，則為錯誤，CRC 的計算, 開始對一個 16 位暫存器預裝全 1， 然后將報文中的連續的 8 位子節對其進行后續的計算，只有字符中的 8 個資料位參與生成 CRC 的運算，起始位，停止位和校驗位不參與 CRC計算，

⑤CRC 的生成程序中， 每個 8–位字符與暫存器中的值異或，然后結果向最低有效位(LSB)方向移動(Shift) 1 位，而最高有效位(MSB)位置充零， 然后提取并檢查 LSB：如果 LSB 為 1， 則暫存器中的值與一個固定的預置值異或；如果 LSB 為 0， 則不進行異或操作，
這個程序將重復直到執行完 8 次移位，完成最后一次（第 8 次）移位及相關操作后，下一個 8位位元組與暫存器的當前值異或，然后又同上面描述過的一樣重復 8 次，當所有報文中子節都運算之后得到的暫存器忠的最終值，就是 CRC，

③小結

●ASCII模式，起始符是一個冒號“：” ASCII碼為3AH H是十六進制表示結束符是“回車換行符” ASCII碼為0DH 0AH

●RTU 模式，起始符與結束符都是至少3.5倍字符傳輸時間的停頓間隔時間標定3.5倍字符的傳輸時間的計算方法，根據“通訊格式、傳輸方式及MODBUS協議簡介”視頻中介紹的一個字符的傳輸時間的計算方法，很容易計算出來，

2、校驗和計算不一樣；

●ASCII模式，是LRC校驗
●RTU 模式，是CRC校驗
3、發送格式不一樣；
●ASCII模式，在訊息中的每個位元組都作為兩個ASCII字符發送
●RTU 模式，在訊息中的每個位元組包含兩個 4Bit的十六進制字符，

2. ModbusTCP

●ModbusTCP的資料幀可分為兩部分：MBAP+PDU，

①結構幀MBAP

MBAP為報文頭，長度為7位元組，組成如下：

事務處理標識 ： 可以理解為報文的序列號，一般每次通信之后就要加1以區別不同的通信資料報文，
協議識別符號 ： 00 00表示ModbusTCP協議，
長度 ： 表示接下來的資料長度，單位為位元組，
單元識別符號 ： 可以理解為設備地址，

②結構幀PDU

PDU由功能碼+資料組成，功能碼為1位元組，資料長度不定，由具體功能決定，該處使用的url網路請求的資料，

②小結

●主站請求：功能碼+資料
●從站正常回應：請求功能碼+回應資料
●從站例外回應：例外功能碼+例外碼，其中例外功能碼即將請求功能碼的最高有效位置1，例外碼指示差錯型別
●注意：需要超時管理機制，避免無期限的等待可能不出現的應答

在linux下使用modbusTCP連接
IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互聯網編號分配管理機構）給Modbus協議賦予TCP埠號為502，這是目前在儀表與自動化行業中唯一分配到的埠號，
通信程序
1.connect 建立TCP連接
2.準備modbus報文
3.使用send命令發送報文
4.在同一連接下等待應答
5.使用recv命令讀取報文，完成一次資料交換
6.通信任務結束時，關閉TCP連接

四、基于STM32-MODBUS實作

有點累了，改天再寫，，，

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