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以串口S2W-M02为例说明Modbus

以串口S2W-M02为例说明Modbus

2018/9/25 9:09:47

Modbus TCP 与 Modbus RTU的区别

Modbus通信协议由Modicon公司(现已经为施耐德公司并购,成为其旗下的子品牌)于1979年发明的,是全球最早用于工业现场的总线规约。由于其免费公开发行,使用该协议的厂家无需缴纳任何费用,Modbus通信协议采用的是主从通信模式(即Master/Slave通信模式),其在分散控制方面应用极其广泛,从而使得Modbus协议在全球得到了广泛的应用。

Modbus通信协议具有多个变种,其具有支持串口(主要是RS-485总线),以太网多个版本,其中最著名的是Modbus RTU,Modbus ASCII和Modbus TCP三种。其中Modbus RTU与Modbus ASCII均为支持RS-485总线的通信协议,其中Modbus RTU由于其采用二进制表现形式以及紧凑数据结构,通信效率较高,应用比较广泛。而Modbus ASCII由于采用ASCII码传输,并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识,其传输效率要远远低于Modbus RTU协议,一般只有在通信数据量较小的情况下才考虑使用ModbusASCII通信协议,在工业现场一般都是采用Modbus RTU协议,一般而言,大家说的基于串口通信的Modbus通信协议都是指Modbus RTU通信协议。

在此我们着重讨论Modbus RTU协议,而Modbus TCP协议则是在RTU协议上加一个MBAP报文头,由于TCP是基于可靠连接的服务,RTU协议中的CRC校验码就不再需要,所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码,用一句比较通俗的话说就是:Modbus TCP协议就是Modbus RTU协议在前面加上五个0以及一个6,然后去掉两个CRC校验码字节就OK.虽然这句话说得不是特别准确,但是也基本上把RTU与TCP之间的区别说得比较清楚了。

RTU协议中的指令由地址码(一个字节),功能码(一个字节),起始地址(两个字节),数据(N个字节),校验码(两个字节)五个部分组成,其中数据又由数据长度(两个字节,表示的是寄存器个数,假定内容为M)和数据正文(M乘以2个字节)组成,而RTU协议是采用3.5个字节的空闲时间作为指令的起始和结束,一般而言,只有当从机返回数据或者主机写操作的时候,才会有数据正文,而其他时候比如主机读操作指令的时候,没有数据正文,只需要数据长度即可。(本章的讨论只涉及寄存器的读写,其他比如线圈的读写指令我们暂时不涉及)。在此我们通过两个指令(0x03H:读多个寄存器指令以及0x10H:写多个寄存器指令)来解释Modbus RTU协议。我们使用的RTU设备是北京博安瑞通科技的SimpleWiFi串口转WiFi模块。

S2W-M02采用UAER进行通讯,支持串口转WiFi,我们只讲述通过WiFi网络读取开关量输出的状态以及通过WiFi写指令控制开关量的输出。其中储存开关量输出状态的四个寄存器分别:0x18E,0x18F,0x190,0x191。在此我们假设模块的地址为默认的0x01,当我们要去读取开关量输出对应的四个寄存器的状态的时候,我们下发的十六进制的指令为:“01 03 01 8E 00 04 25 DE”,其中“01”为模块的地址码,“03”为功能码,即表示读寄存器,“01 8E”为寄存器地址,即从该寄存器地址开始读取数据,“00 04”则表示读取4个寄存器,而“25 DE”则为前面“0103 01 8E 00 04”的CRC校验码,该数值通过CRC16校验算法计算出来的,我们会在其他文章中阐述。该指令的完整解读就是,在地址码为“01”的模块中,从“01 8E”寄存器开始,读取4个寄存器的数据返回至主机。在此,我们可以看到,读取指令中并没有什么数据正文,因为它只是读取相应数量的寄存器,并不需要数据正文,而写操作指令则相反,我们会在后面讲到。

模块返回的指令是:“01 03 08 00 01 00 01 0001 00 01 28 D7”,返回的指令内容解读就是:“01”表示模块的地址码,“03”表示该指令是读操作返回的指令,“08”表示数据长度,在此表示的是8个字节数据正文(即4个寄存器,每个寄存器两个字节表示),“00 01 00 01 00 01 00 01”是数据正文,表示四个寄存器的状态,“28D7”就是CRC16校验码。

同样的当我们执行写操作的是,我们举例写第一个开关量输出,即寄存器“0x18E”,主机下发的指令为:“01 10 01 8e 00 01 02 00 00 A8 7E”,该指令的解读就是:“01”表示模块的地址,“10”表示该指令为写寄存器,“01 8E”表示从该寄存器地址开始执行写操作指令“00 01”表示写多少个寄存器,在此为写1个寄存器,“02”表示数据长度,表示数据长度为两个字节,“00 00”表示写入寄存器的数据,在此表示连通,“A8 7E”为CRC校验码。模块返回的指令和读取寄存器的返回的指令类似。

前文所述,Modbus TCP协议是在RTU协议前面添加MBAP报文头,共七个字节长度,其分别的意义是:1.传输标志,两个字节长度,标志Modbus询问/应答的传输,一般默认是00 00。2.协议标志,两个字节长度,0表示是Modbus,1表示UNI-TE协议,一般默认也是00 00。3.后续字节计数,两个字节长度,其实际意义就是后面的字节长度,具体情况详见下文。4.单元标志,一个字节长度,一般默认为00,单元标志对应于Modbus RTU协议中的地址码,当RTU与TCP之间进行协议转换的时候,特别是Modbus网关转换协议的时候,在TCP协议中,该数据就是对应RTU协议中的地址码,具体情况详见下文。

通过上面的描述我们差不多能够理解Modbus RTU协议,我们再说说Modbus TCP通信协议,前面就已经说过TCP协议就是在RTU协议的基础上去掉校验码以及加上五个0和一个6,当是读取相关寄存器的时候,该说法是没有错的,比如上文的“01 03 01 8E 0004 25 DE”读取指令,用TCP协议来表述的话,指令是“0000 00 00 00 06 00 03 01 8E 00 04”,由于TCP是基于TCP连接的,不存在所谓的地址码,所以06后面一般都是“00”(当其作为Modbus网关服务器挂接多个RTU设备的时候,数值从01-FF).即“00 03 01 8E 00 04”对应的是RTU中去掉校验码的指令,前面则是五个0以及一个6。其中6表示的是数据长度,即“00 03 01 8E 00 04”有6个字节长度。而当其为写操作指令的时候,其指令是“00 00 00 00 00 09 01 10 01 8e 00 01 02 00 00”,其中“00 09”表示后面有9个字节。

Modbus RTU与Modbus TCP读指令对比:

指令的涵义:从地址码为01(TCP协议单元标志为00)的模块0x18E(01 8E)寄存器地址开始读(03)四个(00 04)寄存器。

Modbus RTU与Modbus TCP写指令对比   

指令的涵义:从地址码为01(TCP协议单元标志为00)的模块0x18E(01 8E)寄存器地址开始写(10)一个(00 01)寄存器,具体数据长度为2个字节(02),数据正文内容为00 00(00 00)。

通过串口抓包我们知道了,Modbus TCP与Modbu RTU的区别。我们可以看出在SimpleWiFi系列的串口转WiFi模块S2W-M02以及S2W-M03内部的Modbus支持,就是按照上述协议进行转换。主要完成了WiFi接收到网络层的modbus协议后,将modbus TCP头部的几个自己去掉。然后在数据包的结尾增加CRC的校验即可。

审核编辑(
王静
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