MODBUS总线控系统的技术特征

MODBUS通讯协议是一种工业现场总线通讯协议，它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构，独立于物理层介质，可以承载于多种网络类型中。MODBUS协议把通信参与者规定为“主站”(Master)和“从站”(Slave)，数据和信息的通信遵从主/从模式，当它应用于标准MODBUS网络时，信息被直接传送。MODBUS总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，只允许一个控制器作为主站，其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式，主站发出请求，从站应答请求并送回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息。MODBUS协议定义的各种信息帧格式，描述了主站控制器访问从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址，只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。

由于MODBUS总线系统开发成本低，简单易用，并且现在已有很多工控器、PLC、显示屏等都具有MODBUS通信接口，所以它已经成为一种公认的通信标准。通过MODBUS总线，可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。

MODBUS最初为PLC通信而设计，它通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括AI/AO、DI/DO的数据传送。但不是很多MODBUS设备的控制只使用其中的几条命令，对其余命令不做反应。

1.MODBUS通信格式

MODBUS协议定义了两种传输模式，即RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII。在RTU模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送，而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送，如发送字符 “20”时，采用RTU模式时为“00100000”，然而采用ASCII模式则成为“00110010”+“00110000”(ASCII字符的 “2”和“0”)。可见，发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍。一般来说，数据量少而且主要是文本时采用ASCII;通信数据量大而且是二进制数值时，多采用RTU模式。

主站一次可向一个或所有从站发送通信请求(或指令)，主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为：从站地址、功能码、数据域(数据起始地址、数据量、数据内容)、CRC校验码;从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。MODBUS除了定义通信功能码之外，同时还定义了出错码，标志出错信息。主站接收到错误码后，根据错误的原因采取相应的措施。从站应答的数据内容依据功能码进行响应，例如功能代码03要求读取从站设备中保持寄存器的内容。

2. CRC校验的实现

MODBUS通信的RTU模式中，规定信息帧的最后两个字节用于传递CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR(异或)计算，即可得到2字节的 CRC码，并把包含CRC校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算，并将结果同收到的CRC码的双字节比较，如果一致就认为通信正确，否则认为通信有误，从站将发送CRC错误应答。

RTU模式一般采用CRC-16冗余校验方法，CRC-16的校验码为16位(2字节)，其中低字节在前，高字节在后。实现CRC校验有两种方法：根据CRC校验的定义公式进行计算，或者在程序中建立CRC校验值表。在程序中使用前者更容易实现，这里需要使用CRC生成多项式 X16+X15+X2+1。该多项式对应的码组系数为18005H(16进制)，去除最高位，对应的16位余数为8005H，即为CRC-16常数。 CRC-16校验过程如下：将CRC寄存器的每一位预置为1;把该寄存器值与8bit的信息帧数据进行异或，结果存于该寄存器;对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位(MSB)的位置补零，而最低位(LSB，移位后已经被移出CRC寄存器)如果为1，则把寄存器与CRC-16常数进行异或，否则如果 LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8bit数据处理完毕，用此时寄存器的值与下一个8bit数据异或并进行如前一样的8 次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC添加到消息中时，先加入低字节，然后高字节。

3. 链路特征

MODBUS标准的物理层可以采用RS-232串行通信方式，但在长距离通信中常采用RS-422或RS-485代替。在多点通信情况下只采用 RS-485方式，所以RTU模式下的MODBUS系统采用屏蔽双绞线，通信距离可达1000m。一条总线上最多可配置31个从站设备。传输线上的信息交换是半双工的，即同时只能有一台设备允许发送信息，主站在发送下一条指令之前等待从站回应，从而避免了线路的冲突。

RTU模式的传输格式是1个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。通信数据安全由控制参数CRC-16码保证。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。