通透!终于把ModbusRTU弄明白了

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大家好！我是付工。前面给大家介绍了Modbus协议的应用层面。终于有人把Modbus说明白了那么，今天跟大家聊聊关于Modbus协议报文的那些事。
真实案例
前段时间有个粉丝朋友，让我帮他解决一个问题。
这个粉丝朋友是负责Modbus主站调试的。
项目背景：这是一个船舶的项目，主站是一个贝加莱PLC，带4个从站，从站是西门子S7-1200PLC，分别是右配电板PLC、右发电机PMS、岸电PMS和岸电柜，触摸屏使用的是北尔的iXDeveloper。
故障现象：触摸屏上提示部分通信中断报警，并且读写设备速度很慢。


因为跟老外沟通不畅，必须找到绝对的证据。

我让他将RS485的AB端子，通过485转USB转换器接到一台电脑上，然后通过抓包软件来观察报文的异常情况。


发送：02 03 00 00 00 00 45 F9返回：02 83 03 F1 31
这是2号从站的一个错误报文帧，读取长度为0，因为有重发机制，所以会连续重发多次，导致通信延时。


发送：03 0F 00 04 00 00 00 29 CF
返回：03 8F 03 A5 F1

这是3号从站的一个错误报文帧，预置多线圈功能码返回错误，这里可能是起始地址错误，这个错误导致连续重发，引起通信延时。

通过报文分析最终找到原因，解决了这个现场问题。



前面说过，学习Modbus有两个层面，第一个是应用层面，第二个是报文层面。对于PLC工程师来说，掌握应用层面一般就够用了，但是如果遇到一些特殊的场景，掌握报文层面，会更有利于编写出优质的程序和快速定位问题。
通信协议
如何理解通信协议呢？
通信的目的是数据交互。如果我们把通信的过程比作公司需要传达一个消息。


其中会涉及到三个部分，简称通信三要素。第一是通信介质，它决定了途径，微信还是打电话。第二是通信协议，它决定了内容，具体是什么消息。第三是通信角色，它决定了谁主动发出，谁被动接收。通信协议的本质就是设备之间沟通的语言。设备与人不同，设备是固定的，只要双方提前约定好协议就行了。比如我们对接机器人系统时，约定好发送“XYZ”，对方就会回复XYZ的坐标值，这就是一种协议。


很多时候，我们认为这是一种自定义协议。我认为，通信协议有三种类型：一种是标准协议，比如Modbus协议等。一种是品牌协议，比如西门子S7、三菱MC协议等。还有一种是自定义协议，比如上面那个“XYZ”协议。从本质来说，所有的协议都是自定义协议，只是使用的人多了，慢慢形成了标准。
世上本没有路，走的人多了，便形成了路。

虽然协议种类很多，但并不需要都学，见招拆招，才是最重要的。

学习的时候只要搞懂1-2种，就能触类旁通。

我认为最适合学习的是ModbusRTU与ModbusTCP，至于ModbusASCII，一般很少用。
而且这两个协议，也不需要学两次，先学会ModbusRTU，ModbusTCP就能轻松驾驭。
通用格式
学习通信协议，首先要弄清楚通用报文格式。
所谓通用报文格式，其实就是一个公式规范。所有的通信报文，必须是符合这个公式规范的。ModbusRTU的通用报文格式如下：

【1】从站地址：这个报文发送给谁或来自于谁。【2】功能码：要干什么，读/写/线圈/寄存器。【3】数据部分：配合功能码提供对应的参数。【4】校验部分：保证报文的正确性和完整性。下面围绕这个公式，针对每个功能码进行阐述。
读取输出线圈
在通用格式基础上，针对功能码，我们进行细化。
读取输出线圈发送报文格式如下：

对比通用格式来看：就是将数据部分细化成了起始线圈地址和数量。

我们来分析一下这段发送报文：

【1】从站地址：0x01表示读取1号从站的数据。

【2】功能码：0x01表示读取的是输出线圈存储区。

【3】起始地址：十六进制0x00 0x13对应十进制为19，表示从19号线圈开始读取，这个19对应的Modbus地址为00020。

【4】线圈数量：十六进制0x00 0x1B对应十进制的27，表示读取线圈数量为27。

【5】CRC校验：0x8D 0x4C是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。

注意：报文中的起始地址，就是我‍们前面说过的相对地址。对于任意一个存储区，相对地址都是从0开始的，所有的通信报文中使用的都是相对地址。

主站发送这段报文是想要读取1号从站输出线圈存储区，Modbus地址从 00020-00046，共27个线圈的状态值。当1号从站收到这段报文后，知道了主站的意图，便会响应，响应报文如下：


我们再来分析一下这段响应报文：

【1】从站地址：0x01表示由1号从站响应的报文。

【2】功能码：0x01表示响应的是0x01功能码报文。

【3】字节计数：0x04表示返回的数据共有4个字节。

【4】字节1至字节4：返回的具体数据分别为0xCD、0x6B、0xB2、0x05，这4个字节对应32个线圈值，前面的27个线圈值即对应00020-00046的值。
【5】CRC校验：0x00 0x02是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。主站收到响应报文便获取到了自己要的数据，具体对应关系如下： 0xCD=1100 1101 对应 00027-00020   0x6B=0110 1011 对应 00035-00028 0xB2=1011 0010 对应 00043-00036 0x05=0000 0101 对应 00051-00044至此，就完成了一次Modbus通信交互。至于读取输入线圈，与读取输出线圈几乎一致，唯一的区别就是功能码从0x01变成了0x02，这里就不做过多赘述了。
读取保持型寄存器
接下来我们对03功能码读取保持型寄存器进行说明，这个也是我们经常使用的一个功能码。
读取保持型寄存器发送报文格式如下：



这个与读取输出线圈是相似的，只不过这里的起始地址是寄存器地址。

我们来分析一下这段发送报文：

【1】从站地址：0x01表示读取1号从站的数据。

【2】功能码：0x03表示读取保持型寄存器存储区。

【3】起始地址：十六进制0x00 0x6B对应十进制为107，表示从107号寄存器开始读取，这个107对应的Modbus地址为40108。

【4】寄存器数量：0x00 0x02对应十进制的2，表示读取寄存器数量为2。

【5】CRC校验：0xB5 0xD7是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。

主站发送这段报文是想要读取1号从站保持型寄存器存储区，Modbus地址从40108-40109，共2个寄存器的数据值。

从站响应报文格式如下：



我们再来分析一下这段响应报文：

【1】从站地址：0x01表示1号从站响应的报文。

【2】功能码：0x03表示响应的是0x03功能码的报文。

【3】字节计数：0x04表示返回的数据共有4个字节。

【4】字节1至字节4：返回的具体数据分别为0x00、0xC8、0x01、0x2C，这4个字节对应2个保持型寄存器的值，即对应40108-40109的值。

【5】CRC校验：0x7B、0x80是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。

主站收到响应报文便获取到了自己要的数据，具体对应关系如下：

0x00 0xC8对应40108的值，16进制的0x00 0xC8对应十进制的200  

0x01 0x2C对应40109的值，16进制的0x01 0x2C对应十进制的300

读取输入寄存器，与读取保持型寄存器报文格式几乎一致，唯一的区别就是功能码从0x03变成了0x04，这里就不做过多赘述了。

预置单线圈
我们对0x05功能码预置单线圈进行说明，发送报文格式如下：

对比通用格式来看：将数据部分细化成了线圈地址和断通标志，如果是置位，则断通标志为0xFF 0x00，如果是复位，断通标志为0x00 0x00。

我们来分析一下这段发送报文：
【1】从站地址：0x01表示写入1号从站的数据。 【2】功能码：0x05表示写入单个输出线圈。 【3】线圈地址：十六进制0x00 0x1A对应十进制为26，表示写入26号线圈，这个26对应的Modbus地址为00027。 【4】断通标志：0xFF 0x00表示置位，要将该线圈状态设置为True。 【5】CRC校验：0xAD 0xFD是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。 这段发送报文表示的含义是主站想要将1号从站输出线圈存储区，Modbus地址00027这个线圈置为True。接收报文格式如下：


预置单线圈接收报文与发送报文一致，原报文返回。

预置单寄存器
我们对0x06功能码预置单寄存器进行说明，发送报文格式如下：

对比通用格式来看：将数据部分细化成了寄存器地址和写入值，单寄存器表示16位整数，占用2个字节。

我们来分析一下这段发送报文：
【1】从站地址：0x01表示写入1号从站的数据。 【2】功能码：0x06表示写入单个保持型寄存器。 【3】线圈地址：十六进制0x00 0x10对应十进制为16，表示写入16号寄存器，这个16对应的Modbus地址为40017。 【4】写入值：16进制0x03 0x00对应十进制768，就是将该寄存器的值设置为768。 【5】CRC校验：0x88 0xFF是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。这段发送报文表示的含义是主站想要将1号从站保持型寄存器存储区，Modbus地址40017这个寄存器的值修改为768。接收报文格式如下：


预置单寄存器接收报文与发送报文一致，原报文返回。

预置多线圈
0x0F功能码预置多线圈发送报文格式如下：

对比通用格式来看：将数据部分细化成了起始线圈地址、数量、字节计数和写入值。

我们来分析一下这段发送报文：
【1】从站地址：0x01表示写入1号从站的数据。 【2】功能码：0x0F表示写入多个输出线圈。 【3】起始地址：十六进制0x00 0x13对应十进制为19，表示从19号线圈开始写入，这个19对应的Modbus地址为00020。 【4】数量：十六进制0x00 0x0A对应十进制为10，表示连续写入10个线圈，Modbus地址从00020到00029。 【5】字节数：0x02表示2个字节，因为10个线圈至少要用2个字节来表示。【6】写入值：0x0F 0x03表示写入的两个字节，第一个字节对应前8个线圈，第二个字节对应后面的线圈。 【7】CRC校验：0xA2 0x6A是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。 这段发送报文表示主站想要对1号从站输出线圈存储区，从Modbus地址00020开始的10个线圈值进行修改，0x0F对应二进制00001111，对应前8个线圈，就是将00020-00027写入11110000，0x03对应二进制00000011，对应后面的线圈，也就是将00028-00029写入11。 接收报文格式如下：


预置多输出线圈接收报文是在发送报文基础上除去字节数及写入值。

预置多寄存器
0x10功能码预置多寄存器发送报文格式如下：

对比通用格式来看：将数据部分细化成了起始寄存器地址、数量、字节计数和写入值。

我们来分析一下这段发送报文：
【1】从站地址：0x01表示写入1号从站的数据。 【2】功能码：0x10表示写入多个保持型寄存器。 【3】起始地址：十六进制0x00 0x10对应十进制为16，表示从16号寄存器开始写入，这个16对应的Modbus地址为40017。 【4】数量：十六进制0x00 0x02对应十进制为2，表示连续写入2个寄存器，Modbus地址从40017到40018。 【5】字节数：0x04表示4个字节，因为1个寄存器对应2个字节，2个寄存器对应4个字节。 【6】写入值：0x01 0x0A 0x01 0x10表示写入的4个字节，前2个字节对应第1个寄存器，后2个字节对应第2个寄存器。 【7】CRC校验：0xD3 0x01是对前面所有数据进行CRC校验后的结果。这段发送报文表示的含义是主站想要对1号从站保持型存储区，从Modbus地址40017开始的2个寄存器值进行修改，0x01 0x0A对应十进制266，对应第1个寄存器，也就是将40017写入266，0x01 0x10对应十进制272，对应第2个寄存器，也就是将40018写入272。 接收报文格式如下：


预置多寄存器接收报文是在发送报文基础上除去字节数及写入值。