1 前言

1.1 什麼是Modbus

• Modbus是一種用於工業控制的標準通信協議，它定義了裝置之間在應用層的消息封裝模式、溝通方法、溝通順序。
• Modbus的優勢 :
  1. Modbus協議是開源免費的
  2. Modbus支援多種常見工控接口(RS232, RS485, TCP/IP etc.)，且可以各種物理層裝置上傳輸(雙絞線、光纖、無線等)
  3. Modbus格式簡單易於開發
• Modbus能夠將眾多設備連接到DCS, PLC系統上，再利用服務器(雲、中央計算機)進行監控與下達指令，以便於集中式控制。

  1-1 Modbus在工業上的應用

  

1.2 Modbus的通訊

• Modbus通信協議是一個(master/slave)架構，或者(client/server)架構，在整個通訊網路中能夠同時擁有多個slaves但是只允許擁有一個專門發送request的master。
• Modbus是一個一主多從協議(最多可連接247台slave，所以slave地址範圍在1~247之間)，只有在master發出request時slave才會做出回應，slaves之間不能溝通。
• 每條master所發出的request，都包含一個slave地址，每台slave都會收到該request，都只有符合該地址的slave才會回應該請求，如圖1-1(地址0是廣播模式，每台slave都會運行指令但不會回應master)。

1-2 Modbus的應答過程

• ADU(Application Data Unit)是完整的協議傳輸封包而PDU(Protocol Data Unit)則是資料傳輸的基礎單元，與通信無關，如圖1-2所示。

1-3 通用Modbus封包格式

1.3 Modbus的錯誤通訊

當master傳送的request不符合格式、slave不支援此功能等問題時，代表slave不能正確解碼request內容，這時slave就會response一個error response，其組成為[slave ID][error code][exception code]

• slave ID=original
• error code=function code + 0x80
• exception code=01, 02, 03, 04, etc(依照發生錯誤的原因)
• CRC校正碼

1-4 error response

1-5 Table of exception codes

2 Modbus重點內容

2.1 Modbus暫存器

2.1.1 暫存器種類

Modbus其中一重要的概念是暫存器，不同地址的暫存器存放著不同數據類型型與讀寫特性得資料，而這裡所說的暫存器地址不一定是固定的內存地址，也可以是開發者自行定義的連續或不連續的一塊儲存區域。我們可以把Modbus暫存器分為如圖2-1所示的4大主要部分。

2-1 Modbus暫存器種類

2.1.2 暫存器地址分配

• 這裡有關地址的概念容易混淆，我的理解是暫存器PLC地址是給"人"看的，想當然爾從1開始(使用10進位制)，前綴的0、1、4、3只是用來代表功能碼而已，真正要注意的是後4碼地址。
• 暫存器Modbus協議地址是給"機器"看的，所以使用16進位制處理，從0開始，然後再搭配1byte的功能碼處理。

2-2 暫存器地址分配

2.2 RTU封包格式

• Modbus封包最大長度為256bytes

2-3 Modbus的問答

2.2.1 master request format

[從機地址] [功能碼] [暫存器地址] [暫存器數量(word數)] [驗證碼]

ex : [1F] [04] [00 0A] [00 04] [D2 75]

2.2.2 slave response format

[從機地址] [功能碼] [幾個bytes] [data] [驗證碼]

ex : [1F] [04] [08] [00 01 FF FF 00 00 00 00] [54 FE]

2.2.2 封包之間的區隔

Modbus封包之間的區隔是使用3.5個字符時間來判斷，在該時間區間內，master與slave不做任何動作，利用字符時間的機制只適用於Modbus RTU。

封包之間的時間間格在計算上其實還取決於鮑率，還有格式問題:

• 依據Modbus國家規範，一個字符時間為處理11 bits資料所需時間，一般包含一個起始位、8個數據位、1個校驗位 、一個停止位，而不是所謂一個byte(8 bits)的時間，這裡不要搞混，這是官方規定

• 所謂封包之間的間隔指的是在serial port上的所有封包，包含request、reaponse，只要有資料流淌，就必須規定他們之間的區分方法

• 所以我們假設當前鮑率為9600，也就是9600 bits per second，而3.5個字符時間就等於3.5*11=38.5位，那麼我們可以求得該Modbus RTU要求封包之間的時間間格為 : (38.5*1000)/9600 = 4.0104167ms

• 由於頻繁的計算會對CPU造成負擔，所以Modbus官方規定，當鮑率超過19200時，封包時間間格會固定為1.75ms

• 另外一種較為簡易的設定是不管鮑率為何，統一設定成10ms的時間間格，好處是釋放cpu壓力、較為簡便，對於對時間要求沒有那麼即時的系統，壞處是效率較低、不夠精準

• 另外Modbus還有一個字元之間的判斷，一樣是利用字符時間機制，假設一個數據中相鄰兩個字元的時間差在1.5個
  字符時間以上，就會判斷該筆資料丟失 (1.5*11*1000)/baud rate ms，當鮑率超過19200時，時間間格設定成定值0.75ms

2-4 Modbus RTU封包之間的間格機制

2.3 地址範圍

Modbus的ID號為1bytes(0~255)，但是前面有提過，slave最多只能設定成247，這是因為0是廣播模式，而剩餘的248~255是Modbus的保留ID，供更高級開發用，所以實際應用上我們能設定的範圍在1~247之間。

2.4 功能碼

Modbus的功能碼主要對應四個大方向—DO, DI, AO, AI，其中的功能碼主要也是處理這四大方向(對應連接的slave提供的可能是溫度數據、濕度數據、是否上鎖等數位類比消息)。功能碼占總封包1個byte，不過允許範圍在1~127，0在上面有提到分配給廣播模式，而128~255之所以不分配主要原因為假如1~127發生錯誤加上0x80的錯誤碼後會變成讓上限變成255，所以若是開放128以後的數會讓功能碼區段超過1個bytes的範圍。

• 另外Modbus也提供使用者65~72, 100~110的自訂義功能碼區段

2-5Modbus主要功能碼

2-6Modbus功能碼區段

2.4.1 讀取數位輸出狀態(DO)

• 功能碼代號 : 01(0x)
• 功能 : 該功能碼為讀取coil線圈數位輸出狀態資訊，若狀態為on則輸出1，反之若為off則輸出0
• 佔用大小 : 若為n個bits，則佔用N=n/8個bits，若不能整除則N+1
• 讀寫狀態 : R/W
• 線圈地址上限 : 1~2000
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

請求部份我們首先填入功能碼01，再來需要注意的是起始地址為2個bytes，這裡填的Modbus的地址主要由使用者決定(0x0000~0xffff)分別為HI高位與LO低位，由線圈20~38(Dec)可得需請求19個線圈數據，但是我們實際讀取的是Modbus地址19~37(Dec)因此將首地址轉換成HEX為0x0013，數量地址也分成高低兩位共2個bytes，所以我們可以得到00Hi 13Lo。

請求封包佔8bytes長度。

Response

如果我們要讀取線圈20~38的狀態，需要先計算總共需要回傳38-20+1=19個bits，19/8=2...3，不能整除所以要多分配一個bytes(用來補足的bits都設定成0)，可以得出回傳的data佔有3個bytes。假設線圈20~27的狀態分別為on-on-off-off-on-on-off-on，要注意我們需要從LSB開始存取狀態，因此Binary Status為 1100 1101轉換成HEX就是CD，以此類推我們可以得到圖2-7的資料封包的排序如下所示。

響應封包的資料長度視請求的暫存器數量而定，最長不超過256bytes，data最長2000/8=250bytes。

2-7 功能碼01的封包格式

2.4.2 讀取數位輸入狀態(DI)

• 功能碼代號 : 02(1x)
• 功能 : 該功能碼為讀取coil線圈數位輸入狀態資訊，若狀態為on則輸出1，反之若為off則輸出0
• 佔用大小 : 若為n個bits，則佔用N=n/8個bits，若不能整除則N+1
• 讀寫狀態 : R
• 線圈地址上限 : 1~2000
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

請求部份我們首先填入功能碼02，再來需要注意的是起始地址為2個bytes，這裡填的Modbus的地址主要由使用者決定(0x0000~0xffff)分別為HI高位與LO低位，由線圈19~218(Dec)可得需請求22個線圈數據，但是我們實際讀取的是Modbus地址196~217(Dec)因此將首地址轉換成HEX為0x00C4，數量地址也分成高低兩位共2個bytes，所以我們可以得到00Hi C4Lo。

Response

如果我們要讀取線圈197~218的狀態，需要先計算總共需要回傳218-197+1=22個bits，22/8=2...6，不能整除所以要多分配一個bytes(用來補足的bits都設定成0)，可以得出回傳的data佔有3個bytes。假設線圈197~204的狀態分別為off-off-on-on-off-on-off-on，要注意我們需要從LSB開始存取狀態，因此Binary Status為 1010 1100轉換成HEX就是CD，以此類推我們可以得到圖2-8的資料封包的排序如下所示。

2-8 功能碼02的封包格式

2.5.1 讀保持暫存器(AO)

• 功能碼代號 : 03(4x)
• 功能 : 該功能碼為讀寫暫存器類比輸出狀態資訊，其輸出以Word為基本單位(1Word=2bytes)
• 佔用大小 : 若為n個Word，則佔用2*n個bytes
• 讀寫狀態 : R/W
• 暫存器地址上限 : 1~125
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

請求部份我們首先填入功能碼03，再來需要注意的是起始地址為2個bytes，這裡填的Modbus的地址主要由使用者決定(0x0000~0xffff)分別為HI高位與LO低位，由暫存器地址108~110(Dec)可得需請求3個暫存器數據，但是我們實際讀取的是Modbus地址107~109(Dec)因此將首地址轉換成HEX為0x006B，數量地址也分成高低兩位共2個bytes，所以我們可以得到00Hi 6BLo。

Response

如果我們要讀取暫存器108~110的狀態，需要先計算總共需要回傳110-108+1=3個Word，2*3=6個bytes，可以得出回傳的data佔有6個bytes。假設暫存器108的輸出為555(Dec)，我們可以經過轉換得到0x022B，然後依高低位分別填入02Hi 2BLo，依此類推暫存器109、110輸出分別為0以及100，經過轉換分別得到00 00與00 64(HEX)。

另外假如回傳暫存器狀態設定成32bits，那麼暫存器取值就需要佔用到108、109兩個暫存器位置共4bytes，下一個暫存器將從110開始。

2-9 功能碼03的封包格式

2.5.2 讀輸入暫存器(AI)

• 功能碼代號 : 04(3x)
• 功能 : 該功能碼為讀取暫存器類比輸入狀態資訊，其輸出以Word為基本單位(1Word=2bytes)
• 佔用大小 : 若為n個Word，則佔用2*n個bytes
• 讀寫狀態 : R
• 暫存器地址上限 : 1~125
• Modbus起始地址 : 0x0000~0xffff

Request

請求部份我們首先填入功能碼04，再來需要注意的是起始地址為2個bytes，這裡填的Modbus的地址主要由使用者決定(0x0000~0xffff)分別為HI高位與LO低位，範例中我們要讀取暫存器9的數值，但是我們實際讀取的是Modbus地址08因此將首地址轉換成HEX為0x0008，數量地址也分成高低兩位共2個bytes，所以我們可以得到00Hi 08Lo。

Response

如果我們要讀取暫存器9的狀態，總計1個Word，共2個bytes，可以得出回傳的data佔有2個bytes。假設暫存器9的輸出為10(Dec)，我們可以經過轉換得到0x000A，然後依高低位分別填入00Hi 0ALo。

另外假如回傳暫存器狀態設定成32bits，那麼暫存器取值就需要佔用4bytes，那麼取直就需要暫用暫存器9與10的位置。

2-10 功能碼04的封包格式