摘 要：该文根据质量流量计的应用实际，介绍了智能仪表上普遍采用的Modbus通信原理，分析了请求、响应的消息格式，介绍了地址，功能码，寄存器地址，数据位和校验码的组成，并给出了软件开发中常用的CRC校验程序和十六进制浮点数转换程序。

关键字：Modbus 通信 协议 RTU 流量计 校验码

    1 引言

    Modbus协议由Modicon公司在1978年发明，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，Modbus具有开放，简单的重要特性，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不用交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。Modbus帧格式简单、紧凑，用户使用容易，厂商开发便利。随着仪表和通信技术的发展，Modbus协议正向网络化发展，目前其于ModbusTCP/IP的通信正在工业以太网领域得到用户青睐。Modbus由于得到众多仪表厂家的支持，在PLC、智能仪表上的成功应用，使其成为工业自动化领域的事实标准。近年来，各仪表厂家纷纷采用该标准，生产支持Modbus协议的产品，如横河，艾默生，E＋H，ABB等，尤其艾默生公司生产的流量仪表除保留HART协议外还向用户提供了基于Modbus协议的RS485通信接口，以支持远程通信。我厂是石油化工企业，现场使用的大多是流量式仪表－质量流量计，其中支持Modbus协议占大多数，在生产实践中，我们根据有关技术文献，利用高级语言开发了非常实用的流量计组态软件，具备Modbus的基本功能，可完成标零，校准，修改流量系数，故障诊断等功能，还支持网络和数据存储，为仪表的调校和维护提供了快捷方便的工具。

    2 Modbus协议

    Modbus协议在控制系统和设备之间采用类似短语的格式进行通信，所有发送的信息包均具有相同的格式。Modbus采用主从工作方式：主设备（Host）为智能终端或上位机，从设备（Slave）为多台遵守Modbus协议的智能仪表或变送器。每台设备可由用户设定地址以实现访问操作，地址范围为0－247，其中0为广播地址，所有从设备都可识别但不响应。Modbus要访问设备中的参数需要用户确定其参数的位置（地址），即读取、写入数据，需要明确该数据存放在哪个寄存器上。Modbus手册向用户提供了设备中每个参数的具体位置，用户通过命令可以进行读、写有关“位”信息和“字节”信息。

    Modbus协议建立的主设备查询格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误校验码。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括地址、功能代码、返回的数据和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将发回一错误消息。

    如图1为主－从设备查询响应循环。

    标准的Modbus协议使用两种模式进行通信：ASCII和RTU，这两种模式在报文结构、功能代码上相同，仅错误校验方法不同。

    2.1 ASCII模式

    当控制器设为在Modbus网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信时，在消息中的每8Bit字节都作为两个ASCII字符发送，在ASCII模式下，消息均以“：”（十六进制3A）开始，以回车换行（十六进制0D和0A）结束。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误，ASCII模式通信要比RTU模式占用更多的空间，但编程、解码方便，ASCII消息帧格式如下：

    字节格式：

    1）采用十六进制，ASCII字符0…9，A…F。

    2）消息中的每个ASCII字符都是由一个十六进制字符组成。

    3）字节中位的组成：1个起始位，7个数据位，1个奇偶校验位（无校验则无），1个停止位（有校验时）或2个停止位（无校验时）。

    4）错误校验域，采用LRC校验（所有字节进行异或运算形成纵向冗余校验）

    2.2 RTU（RemoteTerminalUnit）模式

    当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信时，信息是以8位二进制方式传送的，这种方式的最大好处是
在同等传输速率下，可以比ASCII模式传送较多的信息，该模式在智能仪表、PLC、DCS上普遍采用。

    字节格式：

    1）采用8位二进制，十六进制数0…9，A…F表示。

    2）消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成。

    3）字节中位的组成：1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位（无校验则无），1个停止位（有校验时）或2个停止位（无校验时）。

    4）错误校验域，采用CRC（循环冗余校验）

    3 协议帧格式

    Modbus消息格式由地址、功能码、数据段、校验码等四部分组成，数据段内容根据主－从之间的关系可包括寄存器起始地址、寄存器数量、字节数、数据位等。主设备向从设备发送的请求称为主－从帧，由多个信息组成：从设备必须执行的功能代码，连续的或不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际数据等。

    例如，如果主设备需从设备中读取一组保持寄存器的值（功能代码03），数据域需指定起始寄存器以及要读取的寄存器数量。如果主设备向从设备的一组寄存器写入信息（功能代码10十六进制），数据域则指明要写的起始寄存器地址以及要写的寄存器数量，数据域的字节数和要写入寄存器的数据等。下表是主设备查询从设备的消息格式：

    从设备得到请求后向主设备发送的响应格式：

    其中“数据长度”就是“返回数据”域的字节个数，也就是请求消息中的“寄存器数量”乘以2的值。

    3.1 地址

    帧首的Address地址为智能仪表的轮询地址，范围为0－247，一般RS485接口仅支持0－32。这个字节表明仅拥有该地址的从设备返回信息，其他设备不应答，每个设备都要有惟一的地址，返回的信息均以各设备的地址码开始。

    3.2 功能码

    信息帧的功能码可用两个字节表示，范围为1－255，功能码表示主机要求设备执行的操作种类，如03表示读保持寄存器数据，05表示修改某个线圈位，16表示修改设备地址等，此外，设备响应主机时，还用功能码指示设备的工作状态，用以表示响应是否正常，若出现错误，功能码最高位被置为1。表1是部分常见功能码的含义。

    3.3 数据域

    数据域是请求和响应的主要内容，主机向设备请求读取寄存器内容时，数据域包括寄存器的起始地址以及读取的寄存器个数。寄存器是设备存放数据的地方，一个寄存器可存储2字节二进制数据或两个ASCII字符，寄存器地址为16位，按高位在前低位在后排列，有关寄存器地址可查阅仪表通信手册。设备回送响应的数据域包括数据长度、实际采集的数据，另外，当设备出现异常时，数据域存放的则是错误代码，根据错误代码软件可进行报警处理。

    3.4 寄存器地址

    寄存器地址通常用5位十进制数表示，如20247，30120等，由于Modbus所有信息地址均是以0为起始位置的，第一个寄存器的地址就是0，故其余地址均要减去1，例如：保持寄存器40001的地址就是0000，其中4是表示要对保持寄存器进行操作，20108的寄存器地址就是108-1=107，转成十六进制就是006B。表2是常见地址的操作类型。

    3.5 校验码

    为避免误码保证通信的可靠性，标准的MODBUS协议有两种数据校验方法：LRC（纵向冗余校验）和CRC（循环冗余校验）。LRC用于ASCII模式的传输校验，校验范围是从地址到校验码之前的数据，连续异或后得出校验码。CRC用于RTU模式的传输校验，采用的是通信领域常用的CRC－16校验法，CRC长度为2字节，其中低位在前，高位在后，以下给出在VB下CRC校验码的生成例子：

    在函数的调用参数中：data为要进行校验的数据序列（自地址到校验码之前的数据），crc1为低位，crc2为高位。

    PublicSubMake_CRC（data（）AsByte，ByValnAsInteger，crc1AsByte，crc2AsByte）

    '计算CRC校验码

    DimcrcAsLong

    DimiAsInteger

    DimjAsInteger

    DimcarryAsInteger

    crc=&HFFFF‘初始化

    Fori=0Ton–1‘n为要生成CRC校验码的数据字节数，即传来的数组长度

    crc=crcXordata（i）

    Forj=1To8‘处理每个字节的每一位

    crc=crcAnd&H2FFFF

    IfcrcAnd&H1Then

    carry=1

    Else

    carry=0

    EndIf

    crc=Int（crc/2）

    Ifcarry<>0Then

    crc=crcXor&HA001

    EndIf

    Nextj

    Nexti

    crc=crcAnd&H4FFFF

    crc=crcAnd&H2FFFF

    crc1=crcAnd&HFF‘取得CRC码低位

    crc2=（crcAnd&HFF00）/256‘取得CRC码高位

    EndSub

    4 常见读写操作

    4.1 读保持寄存器

    实时采集和监控主要涉及读寄存器操作，如要采集流量计的瞬时流量，经查询艾默生质量流量计通信手册，得仪表中瞬时量的寄存器地址为20247－20248，共占用两个寄存器。地址的第一个数字2代表需使用功能码3进行读操作，将寄存器的地址减去1，即20247－20248要改为20246－20247，在请求消息中寄存器实际首地址用246（十六进制F6）表示，本例设仪表站地址为1，则发送的请求帧为：

    将上面8个16进制数，发到仪表上，就可从串口收到下列数据（可用“串口精灵”工具软件进行试验）：

    返回的数据EB8542FB为4字节IEEE754格式浮点数，其结构为：1位符号位，8位指数位，23位尾数位，对此需进行规格化处理，得到仪表值为125.96。将4字节十六进制浮点数化为十进制数的子程序代码如下：

    ‘dat（）数组中存放4字节待转化的十六进制数，函数返回十进制数。如将上面返回的数据进行转换，需赋值：dat（0）=&HEB，dat（1）=&H85，dat（2）=&H42，dat（3）=&HFB。

    PrivateFunctionIEEE2float（dat（）AsByte）Assingle

    DimaAsSingle

    DimbAsSingle

    a=（dat（1）+dat（0）*256+（dat（3）And127）*65536）/8388608+1

    b=（（dat（2）And&H7F）*256+（dat（3）And&H80））/128-127

    Ifa=1.25Andb=128Thenieee2float=0

    Ifa<>1.25Andb<>128Then

    IEEE2float=a*（2^b）

    EndIf

    Ifdat（2）And128Then

    IEEE2float=-IEEE2float‘符号位为1则为负数

    EndIf

    EndFunction

    4.2 写保持寄存器

    在实际工作中除读寄存器外，有时还需改动仪表参数，进行写寄存器操作。如要将从设备的轮询地址（PollAddress）改为4，4为整数占用两个字节，需用一个寄存器，经查其寄存器的起始地址为40047，4表示对保持寄存器操作，写操作的功能号为16，寄存器地址减去1为46（十六进制2E），则向从设备发送如下命令，则可完成将从设备的地址改成4的操作，其发送消息格式如下：

    4.3 程序设计

    在软件开发过程中，考虑到现有组态软件大多支持VB脚本程序，采用了VisualBasic6。0程序设计语言，其中通信模块利用Mscomm32。ocx控件实现，由于支持的属性和方法较多，编程方便，被用户普遍采用。主程序主要由串口初始化，设置波特率，发送请求，等待响应，处理串口数据等模块组成。在编程中需注意因ModbusRTU是基于二进制的，发送和返回消息中都包含了大于127的编码，故需设置Mscomm的属性为二进制，即在程序中设置：MSComm1。InputMode=comInputModeBinary。

    5 结束语

    企业ERP、MES的实施，对过程控制层仪表的通信提出了更高的要求，其目的是可连续7×24小时、实时性的采集现场数据，了解工艺状况，跟踪产品质量。与此同时，对仪表的监控、维护和管理将更加严格，本文讨论的流量计组态软件的使用可减轻仪表技术人员的劳动强度，方便操作和生产，对其他基于Modbus通信协议的设备也有重要参考价值。

    参考文献：

    [1] 阳宪惠。现场总线技术及其应用[M]。北京：清华大学出版社，2008。

    [2] 李长林。VisualBasic串口通信技术与典型实例[M]。北京：清华大学出版社，2006。

    [3] 龚建伟，能光明。VisualC++/TruboC串口通信编程实践[M]。北京：电子工业出版社，2004。