想搞清楚modbus rtu嗎？帶你瞭解後並可以實踐

隨著工業網際網路的推進，智慧工廠離不開對底層裝置的掌控，從業人員對工業協議理解的也要慢慢加深。

最近在用c#寫modbus的從站，算是比較系統的整理一下modbus協議的內容，網上總結的內容總感覺不是特別的齊全，在此和大家分享一下我理解的modbus協議。有說的不對的地方還請大家指正。

我將從以下幾方面進行闡述：

modbus協議簡介

modbus的請求與響應過程

modbus rtu的master程式碼實現

modbus協議簡介

Modbus

是一種序列通訊協議，是Modicon公司（現在的施耐德電氣Schneider Electric）於1979年為使用可程式設計邏輯控制器（PLC）通訊而發表。Modbus已經成為工業領域通訊協議的業界標準（De facto），並且現在是工業電子裝置之間常用的連線方式。 Modbus比其他通訊協議使用的更廣泛的主要原因有：

公開發表並且無版權要求

易於部署和維護

對供應商來說，修改移動本地的位元或位元組沒有很多限制

Modbus允許多個（大約240個）裝置連線在同一個網路上進行通訊，舉個例子，一個由測量溫度和溼度的裝置，並且將結果傳送給計算機。在資料採集與監視控制系統（SCADA）中，Modbus通常用來連線監控計算機和遠端終端控制系統（RTU）。

Modbus協議目前存在用於串列埠、乙太網以及其他支援網際網路協議的網路的版本。

Modbus協議是一個master/slave架構的協議。有一個節點是master節點，其他使用Modbus協議參與通訊的節點是slave節點。每一個slave裝置都有一個唯一的地址。

一個ModBus命令包含了打算執行的裝置的Modbus地址。所有裝置都會收到命令，但只有指定位置的裝置會執行及迴應指令（地址0例外，指定地址0的指令是廣播指令，所有收到指令的裝置都會執行，不過不迴應指令）。所有的Modbus命令包含了檢查碼，以確定到達的命令沒有被破壞。基本的ModBus命令能指令一個RTU改變它的暫存器的某個值，控制或者讀取一個I/O埠，以及指揮裝置回送一個或者多個其暫存器中的資料。

用大白話總結一下：modbus由施耐德電氣的前身Modicon公司發表，是免費使用的。它是主從結構，有主站（master）和從站（slave）之分。主站發出請求，從站響應。每個從站都有唯一的站地址，透過站地址識別它們。每一個從站都有預定義的暫存器地址。

modbus的請求與響應過程

響應過程

上圖是一個modbus請求響應過程的示意圖，主站發出一個查詢報文，從站響應一個結果報文。modbus協議定義了報文的內容，報文內容包括裝置地址、功能程式碼、資料和校驗碼。

裝置地址：設定範圍為1-255，因為它站一個byte。

功能碼：modbus的主要功能碼見下圖

modbus功能碼

資料：報文核心內容，不同的功能碼對應的資料格式不同，下面會具體說明。

校驗碼：用於驗證報文的正確性，經過特定演算法後的值，RTU模式的校驗演算法叫CRC，ASCII模式的演算法叫LRC。從上面的響應過程圖我們就可以發現，主站傳送請求報文的時候把校驗碼也一起傳送給從站；從站接受報文後經過特定演算法計算得出校驗碼，然後與收到的校驗碼進行比較，如果相等說明報文傳輸正確，沒有收到外借干擾；確定接收到報文正確後，從站作為響應，傳送一段報文給主站；同樣的主站也需要對從站發過來的報文進行校驗碼的比較，相等則解析資料（這個資料就是我們想要的資料），不相等則說明收到的資料有問題，不能使用這次的資料。到這裡整個請求過程就結束了。CRC和LRC的具體演算法，在“

modbus rtu和ascii的客戶端程式碼實現

”中會具體說明。

有了上面的簡單認識，我們開始再進一步。我們來了解一下modbus的報文格式。

前面我們也說到了，功能碼不同對應的報文的格式也不同。理解報文的格式非常重要，因為它和後面的程式設計程式碼緊密相關，不然你不能理解程式碼為什麼要那麼寫。下面我們來列舉不同功能碼對應的報文格式。

讀線圈的報文

如圖所示，讀線圈的請求報文為：站號、功能碼、起始地址高8位、起始地址低8位、讀取數量高8位、讀取數量低8位、 CRC校驗低8位、CRC校驗高8位，佔8byte，這是固定的。這裡注意一下兩個byte的形成一個word的值就是你要讀取布林量的數量。

讀線圈的響應報文為：站號、功能碼、位元組數量、第1個byte狀態、……。。。。。、第n個byte狀態、CRC校驗低8位、 CRC校驗高8位。這是一個長度不固定的報文，長度根據請求的數量而定。響應的內容以byte為基礎單位，所以如果你讀取8以內的布林數量主站響應一個byte，讀取9的話就響應2byte。

線圈單個寫入

如圖所示，寫單個線圈的報文為：站號、功能碼、寫地址高8位、寫地址低8位、資料內容高8位、資料內容低8位、CRC校驗低8位、CRC校驗高8位。資料內容為0時寫入為0，資料內容大於0時寫入為1（我是用modsim32來測試的，不保證其它從站也是如此，畢竟程式碼都是不同人敲出來的）。

寫單個線圈的響應報文：站號、功能碼、寫地址高8位、寫地址低8位、資料內容高8位、資料內容低8位、CRC校驗低8位、CRC校驗高8位。

多個線圈寫入

如圖所示，寫多個線圈的請求報文為：站號、功能碼、寫起始地址高8位、寫起始地址低8位、寫入的數量高8位、寫入的數量低8位、位元組個數、寫入值高8位、寫入值低8位、CRC校驗低8位、CRC校驗高8位。請求報文長度不固定，與寫入的數量對應。

寫多個線圈的響應的報文為：站號、功能碼、寫起始地址高8位、寫起始地址低8位、寫入的數量高8位、寫入的數量低8位、CRC校驗低8位、CRC校驗高8位。

讀離散輸入

如圖所示，讀離散輸入的請求報文為：站號、功能碼、起始地址高8位、起始地址低8位、讀取數量高8位、讀取數量低8位、 CRC校驗低8位、CRC校驗高8位。

報文格式和讀取線圈一模一樣。

讀取保持暫存器

如圖所示，圖中已經說明的很清楚了，我就不展開說了。

寫單個保持暫存器

寫多個保持暫存器

讀輸入暫存器

看了上面的請求響應報文後，下面我們就要根據報文格式來編寫modbus主站程式了。

modbus rtu的客戶端程式碼實現

請求響應過程

讀線圈的程式碼：

過程說明：

1，主站發出請求（請求報文）

2，從站接到報文後做一個crc校驗，校驗後響應一個報文

3，主站讀取從站響應的報文，做crc校驗，校驗後沒問題，獲取的資料就是從站響應的資料。

byte address = Convert。ToByte（txtSlaveID。Text）； ushort start = Convert。ToUInt16（txtStartAddr。Text）； //ushort count = Convert。ToUInt16（txtRegisterQty。Text）； ushort count = 0； int yushu = Convert。ToUInt16（txtRegisterQty。Text） % 8； int shang = Convert。ToUInt16（txtRegisterQty。Text） / 8； if （yushu == 0） { count = （ushort）shang； } else { count = （ushort）（shang + 1）； } byte［］ response = new byte［count］； try { mb。Open（lstPorts。SelectedItem。ToString（）， Convert。ToInt32（lstBaudrate。SelectedItem。ToString（））， 8， Parity。None， StopBits。One）； mb。sendFc1（Convert。ToUInt16（txtRegisterQty。Text）， address， start， count，ref response）； } catch （Exception ex） { LogHelper。WriteLog（ex。Message， ex）； }

//開啟串列埠public bool Open（string portName， int baudRate， int databits， Parity parity， StopBits stopBits） { //Ensure port isn‘t already opened： if （！sp。IsOpen） { //Assign desired settings to the serial port： sp。PortName = portName； sp。BaudRate = baudRate； sp。DataBits = databits； sp。Parity = parity； sp。StopBits = stopBits； //These timeouts are default and cannot be editted through the class at this point： sp。ReadTimeout = 1000； sp。WriteTimeout = 1000； try { sp。Open（）； } catch （Exception err） { modbusStatus = “Error opening ” + portName + “： ” + err。Message； return false； } modbusStatus = portName + “ opened successfully”； return true； } else { modbusStatus = portName + “ already opened”； return false； } }

//傳送和接收報文public bool sendFc1（ushort requests， byte address，ushort start，ushort count，ref byte［］ values） { //Ensure port is open： if （sp。IsOpen） { //Clear in/out buffers： sp。DiscardOutBuffer（）； sp。DiscardInBuffer（）； //Function 1 request is always 8 bytes：站號1位元組，功能碼1位元組，起始位2位元組，數量2位元組，crc校驗2位元組 byte［］ message = new byte［8］； //Function 1 response buffer：報文格式：站號1位元組，功能嗎1位元組，個數1位元組，crc校驗2位元組，資料佔conut個的位元組 byte［］ response = new byte［5 + count］； //Build outgoing modbus message： BuildMessage（address，（byte）1， start， requests， ref message）； //Send modbus message to Serial Port： try { sp。Write（message， 0， message。Length）；//輸出位元組 GetResponse（ref response）；//根據response的長度讀位元組 } catch （Exception err） { modbusStatus = “Error in read event： ” + err。Message； Console。WriteLine（err）； LogHelper。WriteLog（err。Message，err）； return false； } //Evaluate message： if （CheckResponse（response））//兩個CRC校驗碼的對比 { //Return requested register values： for （int i = 0； i < count； i++）//response。Length - 5因為除了資料所佔位元組還有站號、功能碼、位元組數、功能碼所佔的5個位元組 { values［i］ = response［i + 3］；//第四個開始是資料 Console。WriteLine（values［i］）； } modbusStatus = “Read successful”； return true； } else { modbusStatus = “CRC error”； return false； } } else { modbusStatus = “Serial port not open”； return false； } }

//組織報文格式private void BuildMessage（byte address， byte type， ushort start， ushort registers， ref byte［］ message） { //Array to receive CRC bytes： byte［］ CRC = new byte［2］； message［0］ = address；//地址 message［1］ = type；//功能碼 message［2］ = （byte）（start >> 8）；//高位，讀取地址開始 message［3］ = （byte）start；//低位，讀取地址開始 message［4］ = （byte）（registers >> 8）；//讀取的個數 message［5］ = （byte）registers； GetCRC（message， ref CRC）； message［message。Length - 2］ = CRC［0］； message［message。Length - 1］ = CRC［1］； }

//計算crc碼private void GetCRC（byte［］ message， ref byte［］ CRC） { //Function expects a modbus message of any length as well as a 2 byte CRC array in which to //return the CRC values： ushort CRCFull = 0xFFFF； byte CRCHigh = 0xFF， CRCLow = 0xFF； char CRCLSB； for （int i = 0； i < （message。Length） - 2； i++） { CRCFull = （ushort）（CRCFull ^ message［i］）； for （int j = 0； j < 8； j++） { CRCLSB = （char）（CRCFull & 0x0001）； CRCFull = （ushort）（（CRCFull >> 1） & 0x7FFF）； if （CRCLSB == 1） CRCFull = （ushort）（CRCFull ^ 0xA001）； } } CRC［1］ = CRCHigh = （byte）（（CRCFull >> 8） & 0xFF）； CRC［0］ = CRCLow = （byte）（CRCFull & 0xFF）； }

//讀取響應報文private void GetResponse（ref byte［］ response） { //There is a bug in 。Net 2。0 DataReceived Event that prevents people from using this //event as an interrupt to handle data （it doesn’t fire all of the time）。 Therefore //we have to use the ReadByte command for a fixed length as it‘s been shown to be reliable。 for （int i = 0； i < response。Length； i++） //for （int i = 0； i < sp。BytesToRead； i++） { //LogHelper。WriteLog（DateTime。Now。ToString（））； //int a = sp。ReadByte（）； response［i］ = （byte）（sp。ReadByte（））； Console。WriteLine（response［i］）； } }

//校驗crc碼——算出來的crc碼和讀取的crc碼作比較private bool CheckResponse（byte［］ response） { //Perform a basic CRC check： byte［］ CRC = new byte［2］； GetCRC（response， ref CRC）； if （CRC［0］ == response［response。Length - 2］ && CRC［1］ == response［response。Length - 1］） return true； else return false； }

讀保持暫存器的程式碼

//點選事件，讀取保持暫存器private void Button5_Click（object sender， EventArgs e） { try { //開啟串列埠 if （！sp。IsOpen） { mb。Open（lstPorts。SelectedItem。ToString（）， Convert。ToInt32（lstBaudrate。SelectedItem。ToString（））， 8， Parity。None， StopBits。One）； } //傳送命令 byte address = Convert。ToByte（txtSlaveID。Text）； ushort start = Convert。ToUInt16（txtStartAddr。Text）； ushort requestCount = Convert。ToUInt16（txtRegisterQty。Text）； byte［］ result = new byte［2*requestCount］； mb。sendFc03（address， start， requestCount， ref result）； //顯示 string itemString； for （int i = 0； i < result。Length； i++） { itemString = “［” + Convert。ToString（start + i + 10001） + “］， MB［” + Convert。ToString（start + i） + “］ = ” + result［i］。ToString（“X”）； DoGUIUpdate（itemString）； } } catch （Exception ex） { LogHelper。WriteLog（ex。Message， ex）； } }

public bool sendFc03（byte address，ushort start，ushort requestCount， ref byte［］ results） { if （sp。IsOpen） { //Clear in/out buffers： sp。DiscardOutBuffer（）； sp。DiscardInBuffer（）； //Function 1 request is always 8 bytes： byte［］ message = new byte［8］； //Function 1 response buffer：報文格式：站號1位元組，功能嗎1位元組，個數1位元組，crc校驗2位元組，資料佔conut個的位元組 byte［］ response = new byte［5 + 2*requestCount］； //Build outgoing modbus message： byte［］ CRC = new byte［2］； message［0］ = address；//地址 message［1］ = （byte）3；//功能碼 message［2］ = （byte）（start >> 8）；//高位，讀取地址開始 message［3］ = （byte）start；//低位，讀取地址開始 message［4］ = （byte）（requestCount >> 8）；//寫的個數 message［5］ = （byte）requestCount； GetCRC（message， ref CRC）； message［message。Length - 2］ = CRC［0］； message［message。Length - 1］ = CRC［1］； //Send modbus message to Serial Port： try { sp。Write（message， 0， message。Length）；//輸出位元組 GetResponse（ref response）；//讀位元組 } catch （Exception err） { modbusStatus = “Error in read event： ” + err。Message； Console。WriteLine（err）； LogHelper。WriteLog（err。Message， err）； return false； } //Evaluate message： if （CheckResponse（response））//兩個CRC校驗碼的對比 { //把資料放到result中 for （int i = 0； i < 2*requestCount； i++）//response。Length - 5因為除了資料所佔位元組還有站號、功能碼、位元組數、功能碼所佔的5個位元組 { results［i］ = response［i + 3］；//第四個開始是資料 Console。WriteLine（results［i］）； } modbusStatus = “read successful”； return true； } else { modbusStatus = “CRC error”； return false； } } else { modbusStatus = “Serial port not open”； return false； } }

上面用到的方法的程式碼在上面已經有了，這裡就不在重複寫了。最主要的區別還是報文格式的不同，程式碼需要根據報文格式編寫。只要理解了報文格式，程式碼不是問題。

總結：

上面的程式碼是用。net寫的主站，用modsim32做從站。

其實最重要的還是理解這個請求響應過程和報文的格式，然後一步一步往下走就可以了。

其他的modbus功能碼的程式碼這裡就不一一說明了，相信只要理解了上面的程式碼就能舉一反三了。

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