Modbus报文帧结构
一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文： 指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据
Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：
| 从机地址 | 功能码 | 数据 | CRC校验 |
|---|---|---|---|
| 1 byte | 1 byte | N bytes | 2 bytes |
帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验
-
从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)
-
功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
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数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
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校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确
Modbus规定了多个功能，那么为了方便的使用这些功能，我们给每个功能都设定一个功能码，也就是指代码。
Modbus协议同时规定了二十几种功能码，但是常用的只有8种，用于对存储区的读写，如下表所示：
| 功能码 | 功能说明 |
|---|---|
| 01H | 读取输出线圈 |
| 02H | 读取输入线圈 |
| 03H | 读取保持寄存器 |
| 04H | 读取输入寄存器 |
| 05H | 写入单线圈 |
| 06H | 写入单寄存器 |
| 0FH | 写入多线圈 |
| 10H | 写入多寄存器 |
当然我们用的最多的就是03和06 一个是读取数据，一个是修改数据。
错误校验（CRC）域占用两个字节包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。
例如若主机向从机发送报文01 03 00 00 00 01 84 0A 其中， 最后两个字节84 0A就是CRC校验位，从机接收到主机发送的报文之后，根据报文的非校验位01 03 00 00 00 01计算CRC校验位，若从机计算出的校验位与主机发送的校验位相同，则证明数据在发送的过程中没有发生错误，反之，则代表数据传输发生错误。
1、预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。
2 、把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。
3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。
4 、如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值0A001H进行异或运算。
5、重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。
6 、重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。
7、最终CRC寄存器的值就是CRC的值。
看着很复杂哈，其实理解了原理就很简单了，这里贴出本项目中CRC校验的代码
uint16_t modbus_crc16(uint8_t *pbuffer, uint16_t length)
{
uint16_t crc_high = 0xff;
uint16_t crc_low = 0xff;
unsigned long index;
while (length--)
{
index = crc_high ^ *pbuffer++;
crc_high = crc_low ^ auchCRCHi[index];
crc_low = auchCRCLo[index];
}
return (crc_high << 8 | crc_low);
}
主机发送报文格式如下：
| 从机地址 | 功能码 | 起始地址（高） | 起始地址（低） | 寄存器数量（高） | 寄存器数量（低） | 校验 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x03 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x01 | 0xD5 0xCA |
含义：从地址为0x01的从机的0x0001寄存器开始读取数量为1的数据
0x01:从机地址0x03: 查询功能码，读取单个指定从机寄存器的数据0x00 0x01: 要从从机读取数据的寄存器起始地址，表示从从机0x0001开始读取数据0x00 0x01: 要读取的寄存器数量，表示读取一个寄存器的数据0XD5 0XCA: 循环冗余校验 CRC
假设从机0x01的数据如下：
| 寄存器地址 | 数据 |
|---|---|
| 0x0000 | 0x0000 |
| 0x0001 | 0x0017 |
| 0x0002 | 0x0020 |
| 0x0003 | 0x0040 |
那么从机的回复报文格式如下：
| 从机地址 | 功能码 | 字节数量 | 数据1（高） | 数据1（低） | 校验 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x03 | 0x02 | 0x00 | 0x17 | 0xF8 0x4A |
含义：
0x01：从机的地址0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据0x02： 返回字节数为2个 一个寄存器2个字节0x00 0x17：寄存器的值是00170xF8 0x4A： 循环冗余校验 CRC
主机发送报文格式如下：
| 从机地址 | 功能码 | 寄存器地址（高） | 寄存器地址（低） | 数据（高） | 数据（低） | 校验 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x06 | 0x00 | 0x00 | 0x00 | 0x01 | 0x48 0x0A |
含义：在地址为0x01的从机的0x0000寄存器写入数据0x0001
0x01:从机地址0x06: 写入功能码，在单个指定从机寄存器写入指定数据0x00 0x00: 要在从机写入数据的寄存器地址，表示在从机0x0000寄存器写入数据0x00 0x01: 要写入的数据0x48 0x0A: 循环冗余校验 CRC
从机回复报文格式：0x06功能码的从机回报文与主机发送的报文是一致的，表示成功写入数据
主机发送报文格式如下：
| 从机地址 | 功能码 | 起始地址 | 写入数量 | 数据长度 | 数据 1 | 数据2 | 数据3 | CRC校验 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x10 | 0x0000 | 0x00 0x03 | 0x06 | 0x0001 | 0x0002 | 0x0003 | 0x3A 0x81 |
含义：从地址为0x01的从机的0x0000寄存器开始写入3个数据分别为0x0001、0x0002、0x0003
0x01:从机地址0x10: 批量写入功能码，从指定从机寄存器开始写入指定数量的数据0x00 0x00: 开始从从机写入数据的寄存器地址，表示从从机0x0000寄存器开始写入数据0x00 0x03: 要写入的数据的数量0x06: 要写入的数据长度 = 要写入的数据数量 * 20x00010x00020x0003: 要写入的数量0x3A 0x81: 循环冗余校验 CRC
从机的回复报文格式如下：
| 从机地址 | 功能码 | 起始地址（高） | 起始地址（低） | 寄存器数量 | 校验 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x10 | 0x00 | 0x00 | 0x00 0x03 | 0x80 0x08 |
含义：
0x01：从机的地址0x10：批量写入功能码，从指定从机寄存器开始写入指定数量的数据0x00 0x00：开始从从机写入数据的寄存器地址，表示从从机0x0000寄存器开始写入数据0x00 0x03：寄存器数量，表示成功写入3个寄存器0x80 0x08： 循环冗余校验 CRC
在开始写代码之前可以先通过Modbus Poll和Modbus Slave两个软件来模拟实验，首先通过Virtual Serial Port Driver Pro虚拟串口软件创建两个虚拟串口
之后在Modbus Poll和Modbuus Slave中连接虚拟出来的串口，注意波特率等参数的配置，二者要相同
连接成功之后，Modbus Poll会实时的读取Modbus Slave中的全部数据，也可以通过Modbus Poll修改Modbus Slave中的数据，可以通过Modbus Poll工具栏中的放大镜查看具体的报文
本系统中使用STM32作为从机，串口调试助手作为主机模拟modbus通讯功能效果如下：
串口调试助手使用SSCOM，这款串口调试助手是我用过串口调试助手中唯一一个带有加ModbusCRC16校验位功能的，用于modbus调试非常舒服，在上图的测试中，使用串口调试助手作为主机向STM32发送了01 03 00 00 00 01 84 ，其中84 0A为CRC16校验位，是串口调试助手自动加上去的。串口调试助手发送的报文含义为从地址为0x01的从机的0x0000寄存器开始读取数量为1的数据，通过keil的Debug界面可以看到STM32的0x0000寄存器的数据为0x0001，而串口调试助手成功接收到了STM32的应答报文。
代码实现如下：
/**
* @brief 本机作为从机时， modbus事件处理
* @param[in] 无
* @param[out] 无
* @retval 无
* @note 无
*/
void modbus_slave_event(void)
{
uint16_t crc, receive_crc;
if (modbus_struct.receive_flag == 0 || modbus_struct.receive_count < 2)
{
return;
}
/*!< modbus crc校验 */
crc = modbus_crc16(&modbus_struct.receive_buffer[0]
, modbus_struct.receive_count - 2);
receive_crc = modbus_struct.receive_buffer[modbus_struct.receive_count - 2] * 256
+ modbus_struct.receive_buffer[modbus_struct.receive_count - 1];
if (crc == receive_crc)
{
if (modbus_struct.receive_buffer[0] == modbus_struct.address)
{
switch(modbus_struct.receive_buffer[1])
{
case 0x03:
modbus_slave_function_0x03();
break;
case 0x06:
modbus_slave_function_0x06();
break;
case 0x10:
modbus_slave_function_0x10();
break;
default:
break;
}
}
}
modbus_struct.receive_count = 0;
modbus_struct.receive_flag = 0;
}代码中定义了一个stm32作为从机时候的事件处理函数，接收串口接收的数据，通过CRC校验之后，根据主机发送来的功能码做出响应，以0x03功能码为例，其代码具体如下：
/**
* @brief 本机作为从机时， modbus 0x03功能码函数
* 接收主机的数据之后，返回给主机相应数据
* @param[in] 无
* @param[out] 无
* @retval 无
* @note 无
*/
static void modbus_slave_function_0x03(void)
{
uint16_t reg_address, reg_length, crc;
uint8_t i = 0;
reg_address = modbus_struct.receive_buffer[2] * 256
+ modbus_struct.receive_buffer[3]; /*!< 读取寄存器首地址 */
reg_length = modbus_struct.receive_buffer[4] * 256
+ modbus_struct.receive_buffer[5]; /*!< 读取寄存器个数 */
/*!< 给主机的应答 */
modbus_struct.send_buffer[i++] = modbus_struct.address;
modbus_struct.send_buffer[i++] = 0x03;
modbus_struct.send_buffer[i++] = ((reg_length * 2) % 256);/*!< 返回字节个数 */
for (int j = 0; j < reg_length; j++) /*!< 返回主机要读取的数据 */
{
modbus_struct.send_buffer[i++] = reg[reg_address + j] / 256;
modbus_struct.send_buffer[i++] = reg[reg_address + j] % 256;
}
crc = modbus_crc16(modbus_struct.send_buffer, i); /*!< 计算CRC校验位 */
modbus_struct.send_buffer[i++] = crc / 256;
modbus_struct.send_buffer[i++] = crc % 256;
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, modbus_struct.send_buffer,i); /*!< 发送数据 */
}本系统中使用STM32作为主机，Modbus Slave作为从机模拟modbus通讯功能效果如下：
以功能码0x10为例，在连接成功之后，可以通过keil debug中修改modbus_host_0x10_buffer数组中的数据来改变Modbus Slave中的值
具体实现的核心代码如下：
/**
* @brief 本机作为主机时，modbus 0x10向从机写入多个数据
* @param[in] slave:从机地址
* start_address:要写入数据的寄存器起始地址
* register_num:要写入数据的寄存器数量
* data_length:要写入数据的数据长度 = register_num * 2
* pbuffer:要写入的数据
* @param[out] 无
* @retval 无
* @note 调用该函数时发送一次数据，之后将host_send_flag置1，之后不再发送
* 直到接收到从机的应答，将host_send_flag置0，之后可再次发送
*/
void modbus_host_weiredata_0x10(uint8_t slave, uint16_t start_address, uint16_t register_num, uint8_t data_length, uint8_t* pbuffer)
{
uint16_t crc;
if (modbus_struct.host_send_flag == 0)
{
modbus_struct.slave_address = slave;
modbus_struct.host_send_buffer[0] = slave;
modbus_struct.host_send_buffer[1] = 0x10;
modbus_struct.host_send_buffer[2] = start_address / 256;
modbus_struct.host_send_buffer[3] = start_address % 256;
modbus_struct.host_send_buffer[4] = register_num / 256;
modbus_struct.host_send_buffer[5] = register_num % 256;
modbus_struct.host_send_buffer[6] = data_length;
for (int i = 0; i < data_length; i++)
{
modbus_struct.host_send_buffer[7 + i] = pbuffer[i];
}
crc = modbus_crc16(&modbus_struct.host_send_buffer[0], 7 + data_length);
modbus_struct.host_send_buffer[7 + data_length] = crc / 256;
modbus_struct.host_send_buffer[8 + data_length] = crc % 256;
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, modbus_struct.host_send_buffer, 9 + data_length);
modbus_struct.host_send_flag = 1;
}
}