Modbus RTU

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是一种在工业环境中广泛使用的串行通信协议。它基于Modbus协议的一种实现，通过串行线（如RS-232或RS-485）进行通信，主要用于设备间的简单通信。由于其开放性、简单性和广泛的支持，Modbus RTU成为了工业通信中的事实标准之一。

基本概念

• Modbus RTU帧结构：每个Modbus RTU消息帧以设备地址开始，后跟功能码、数据、以及一个循环冗余检查（CRC）校验码结束。设备地址标识了网络上的特定设备，功能码指定了要执行的操作（如读取数据、写入数据等），数据部分包含了指令或指令的回复，CRC校验码用于检测传输错误。

• 主站/从站模式：Modbus RTU采用主站/从站（或主从）模式。在任何给定的Modbus网络中，有一个设备充当主站，负责发起请求。其余设备作为从站，响应主站的请求。每个从站设备都有一个唯一的地址。

• 串行通信：Modbus RTU通过串行通信端口进行数据传输，典型的接口是RS-232或RS-485。RS-485尤其受到欢迎，因为它支持长距离通信和多设备网络。

功能码

Modbus RTU定义了一系列功能码，用于读取和写入数据，以及进行设备控制。这些功能码包括但不限于：

• 读取线圈状态（01）：读取从站的一组数字输出（线圈）的状态。
• 读取输入状态（02）：读取从站的一组数字输入的状态。
• 读取保持寄存器（03）：读取从站的一组保持寄存器中的值，这些寄存器可以由主站读写。
• 读取输入寄存器（04）：读取从站的一组输入寄存器中的值，这些寄存器只能由主站读取。
• 写单个线圈（05）：写一个数字输出（线圈）的状态。
• 写单个寄存器（06）：写单个保持寄存器的值。

通信流程

1. 请求：主站发送一个请求给从站，请求中包括从站的地址、一个功能码、以及根据所请求操作的需要可能包含的数据。
2. 处理：从站接收到请求后，解析功能码并执行相应的操作。
3. 响应：从站处理完请求后，回送一个响应给主站。响应可能包含所请求的数据或执行操作的结果。
4. 错误处理：如果请求不能被正确执行，从站会返回一个错误响应，其中包含错误码指示问题所在。

在Modbus RTU通信协议中，从机通常是执行实际控制任务的物理设备，比如传感器、执行器、PLCs（可编程逻辑控制器）等。下面我将列举几个常用的从机类型，并提供各种功能码的请求与回复例子，同时解释报文中的含义。

常用从机类型

1. 温度传感器：用于测量温度，通常会通过保持寄存器或输入寄存器提供测量值。
2. 电机控制器：用于控制电机的启动、停止和速度调节，可能会使用线圈进行开/关控制和保持寄存器来设置参数。
3. PLC：可编程逻辑控制器，用于自动化控制生产过程，可以通过Modbus RTU读写其输入/输出接口和参数设置。
4. 变频器：用于调节电机的速度，通过读写保持寄存器来设置和读取运行参数。

功能码的请求与回复例子

读取保持寄存器（功能码03）

• 请求：从主站读取从站保持寄存器的值。例如，主站请求从一个PLC（设备地址为01）的保持寄存器开始，读取3个寄存器的值。

  请求报文示例：01 03 00 64 00 03 76 87

  • 01：从站地址。
  • 03：功能码，表示读取保持寄存器。
  • 00 64：起始寄存器地址（100）。
  • 00 03：要读取的寄存器数量（3个）。
  • 76 87：CRC校验码。

• 回复：从站回复所请求的保持寄存器的值。

  回复报文示例：01 03 06 00 0A 01 2B 00 0C 45 E8

  • 01：从站地址。
  • 03：功能码。
  • 06：字节计数（读取3个寄存器，每个寄存器2字节，共6字节）。
  • 00 0A：第一个寄存器的值（10）。
  • 01 2B：第二个寄存器的值（299）。
  • 00 0C：第三个寄存器的值（12）。
  • 45 E8：CRC校验码。

写单个寄存器（功能码06）

• 请求：主站设置从站单个保持寄存器的值。例如，主站设置一个温度控制器（设备地址为02）的目标温度。

  请求报文示例：02 06 00 01 04 D2 F8 14

  • 02：从站地址。
  • 06：功能码，表示写单个寄存器。
  • 00 01：寄存器地址（1）。
  • 04 D2：要写入的值（1234，假设这是一个温度值）。
  • F8 14：CRC校验码。

• 回复：从站确认写入的寄存器地址和值。

  回复报文示例：02 06 00 01 04 D2 F8 14

  • 报文结构与请求相同，确认已正确写入值。

这些例子展示了Modbus RTU协议中请求与回复报文的结构和含义。通过这些例子，可以看到Modbus RTU协议在工业通信中的灵活性和实用性，允许主站与从站之间进行高效的数据交换。

通信设置

Modbus RTU通信设置包括波特率（例如9600或19200 bps）、数据位（通常是8位）、停止位（1或2位）、以及奇偶校验（无、奇校验或偶校验）。这些参数必须在通信设备间事先协商一致。

应用场景

Modbus RTU广泛应用于各种工业自动化系统，如PLC（可编程逻辑控制器）、温度控制器、变频器、传感器网络等。它使得不同制造商的设备能够通过标准化方式互相通信，极大地促进了工业设备的兼容性和互操作性。

总而言之，Modbus RTU协议以其简单、高效和灵活的特点，在工业通信领域占据了重要地位。它不仅适用于小型简单系统，也能扩展以满足更复杂网络的需求。