Modbus TCP 與 Modbus RTU的區(qū)別

Modbus通信協(xié)議由Modicon公司（現(xiàn)已經(jīng)為施耐德公司并購，成為其旗下的子品牌）于1979年發(fā)明的，是全球最早用于工業(yè)現(xiàn)場的總線規(guī)約。由于其免費公開發(fā)行，使用該協(xié)議的廠家無需繳納任何費用，Modbus通信協(xié)議采用的是主從通信模式（即Master/Slave通信模式)，其在分散控制方面應(yīng)用極其廣泛，從而使得Modbus協(xié)議在全球得到了廣泛的應(yīng)用。

Modbus通信協(xié)議具有多個變種，其具有支持串口（主要是RS-485總線），以太網(wǎng)多個版本，其中最著名的是Modbus RTU,Modbus ASCII和Modbus TCP三種。其中Modbus RTU與Modbus ASCII均為支持RS-485總線的通信協(xié)議，其中Modbus RTU由于其采用二進制表現(xiàn)形式以及緊湊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通信效率較高，應(yīng)用比較廣泛。而Modbus ASCII由于采用ASCII碼傳輸，并且利用特殊字符作為其字節(jié)的開始與結(jié)束標識，其傳輸效率要遠遠低于Modbus RTU協(xié)議，一般只有在通信數(shù)據(jù)量較小的情況下才考慮使用Modbus ASCII通信協(xié)議，在工業(yè)現(xiàn)場一般都是采用Modbus RTU協(xié)議，一般而言，大家說的基于串口通信的Modbus通信協(xié)議都是指Modbus RTU通信協(xié)議。

在此我們著重討論Modbus RTU協(xié)議，而Modbus TCP協(xié)議則是在RTU協(xié)議上加一個MBAP報文頭，由于TCP是基于可靠連接的服務(wù)，RTU協(xié)議中的CRC校驗碼就不再需要，所以在Modbus TCP協(xié)議中是沒有CRC校驗碼，用一句比較通俗的話說就是：Modbus TCP協(xié)議就是Modbus RTU協(xié)議在前面加上五個0以及一個6，然后去掉兩個CRC校驗碼字節(jié)就OK.雖然這句話說得不是特別準確，但是也基本上把RTU與TCP之間的區(qū)別說得比較清楚了。

RTU協(xié)議中的指令由地址碼(一個字節(jié)），功能碼（一個字節(jié)），起始地址（兩個字節(jié)），數(shù)據(jù)（N個字節(jié)），校驗碼（兩個字節(jié)）五個部分組成，其中數(shù)據(jù)又由數(shù)據(jù)長度（兩個字節(jié)，表示的是寄存器個數(shù)，假定內(nèi)容為M）和數(shù)據(jù)正文（M乘以2個字節(jié)）組成，而RTU協(xié)議是采用3.5個字節(jié)的空閑時間作為指令的起始和結(jié)束，一般而言，只有當從機返回數(shù)據(jù)或者主機寫操作的時候，才會有數(shù)據(jù)正文，而其他時候比如主機讀操作指令的時候，沒有數(shù)據(jù)正文，只需要數(shù)據(jù)長度即可。（本章的討論只涉及寄存器的讀寫，其他比如線圈的讀寫指令我們暫時不涉及）。在此我們通過兩個指令（0x03H：讀多個寄存器指令以及0x10H:寫多個寄存器指令）來解釋Modbus RTU協(xié)議。我們使用的RTU設(shè)備是北京博安瑞通科技的SimpleWiFi串口轉(zhuǎn)WiFi模塊。

S2W-M02采用UAER進行通訊，支持串口轉(zhuǎn)WiFi，我們只講述通過WiFi網(wǎng)絡(luò)讀取開關(guān)量輸出的狀態(tài)以及通過WiFi寫指令控制開關(guān)量的輸出。其中儲存開關(guān)量輸出狀態(tài)的四個寄存器分別：0x18E,0x18F,0x190,0x191。在此我們假設(shè)模塊的地址為默認的0x01，當我們要去讀取開關(guān)量輸出對應(yīng)的四個寄存器的狀態(tài)的時候，我們下發(fā)的十六進制的指令為:“01 03 01 8E 00 04 25 DE”,其中“01”為模塊的地址碼，“03”為功能碼，即表示讀寄存器，“01 8E”為寄存器地址，即從該寄存器地址開始讀取數(shù)據(jù)，“00 04”則表示讀取4個寄存器，而“25 DE”則為前面“01 03 01 8E 00 04”的CRC校驗碼，該數(shù)值通過CRC16校驗算法計算出來的，我們會在其他文章中闡述。該指令的完整解讀就是，在地址碼為“01”的模塊中，從“01 8E”寄存器開始，讀取4個寄存器的數(shù)據(jù)返回至主機。在此，我們可以看到，讀取指令中并沒有什么數(shù)據(jù)正文，因為它只是讀取相應(yīng)數(shù)量的寄存器，并不需要數(shù)據(jù)正文，而寫操作指令則相反，我們會在后面講到。

模塊返回的指令是：“01 03 08 00 01 00 01 00 01 00 01 28 D7”，返回的指令內(nèi)容解讀就是：“01”表示模塊的地址碼，“03”表示該指令是讀操作返回的指令，“08”表示數(shù)據(jù)長度，在此表示的是8個字節(jié)數(shù)據(jù)正文（即4個寄存器，每個寄存器兩個字節(jié)表示），“00 01 00 01 00 01 00 01”是數(shù)據(jù)正文，表示四個寄存器的狀態(tài)，“28 D7”就是CRC16校驗碼。

同樣的當我們執(zhí)行寫操作的是，我們舉例寫第一個開關(guān)量輸出，即寄存器“0x18E”，主機下發(fā)的指令為：“01 10 01 8e 00 01 02 00 00 A8 7E”，該指令的解讀就是：“01”表示模塊的地址，“10”表示該指令為寫寄存器，“01 8E”表示從該寄存器地址開始執(zhí)行寫操作指令“00 01”表示寫多少個寄存器，在此為寫1個寄存器，“02”表示數(shù)據(jù)長度，表示數(shù)據(jù)長度為兩個字節(jié)，“00 00”表示寫入寄存器的數(shù)據(jù)，在此表示連通，“A8 7E”為CRC校驗碼。模塊返回的指令和讀取寄存器的返回的指令類似。

前文所述，Modbus TCP協(xié)議是在RTU協(xié)議前面添加MBAP報文頭，共七個字節(jié)長度，其分別的意義是：1.傳輸標志,兩個字節(jié)長度，標志Modbus詢問/應(yīng)答的傳輸，一般默認是00 00。2.協(xié)議標志，兩個字節(jié)長度，0表示是Modbus,1表示UNI-TE協(xié)議，一般默認也是00 00。3.后續(xù)字節(jié)計數(shù)，兩個字節(jié)長度，其實際意義就是后面的字節(jié)長度，具體情況詳見下文。4.單元標志，一個字節(jié)長度，一般默認為00，單元標志對應(yīng)于Modbus RTU協(xié)議中的地址碼，當RTU與TCP之間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換的時候，特別是Modbus網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議的時候，在TCP協(xié)議中，該數(shù)據(jù)就是對應(yīng)RTU協(xié)議中的地址碼，具體情況詳見下文。

通過上面的描述我們差不多能夠理解Modbus RTU協(xié)議，我們再說說Modbus TCP通信協(xié)議，前面就已經(jīng)說過TCP協(xié)議就是在RTU協(xié)議的基礎(chǔ)上去掉校驗碼以及加上五個0和一個6，當是讀取相關(guān)寄存器的時候，該說法是沒有錯的，比如上文的“01 03 01 8E 00 04 25 DE”讀取指令，用TCP協(xié)議來表述的話，指令是“00 00 00 00 00 06 00 03 01 8E 00 04”，由于TCP是基于TCP連接的，不存在所謂的地址碼，所以06后面一般都是“00”（當其作為Modbus網(wǎng)關(guān)服務(wù)器掛接多個RTU設(shè)備的時候，數(shù)值從01-FF).即“00 03 01 8E 00 04”對應(yīng)的是RTU中去掉校驗碼的指令，前面則是五個0以及一個6。其中6表示的是數(shù)據(jù)長度，即“00 03 01 8E 00 04”有6個字節(jié)長度。而當其為寫操作指令的時候，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個字節(jié)。

Modbus RTU與Modbus TCP讀指令對比：

指令的涵義：從地址碼為01（TCP協(xié)議單元標志為00）的模塊0x18E(01 8E)寄存器地址開始讀（03）四個（00 04）寄存器。

Modbus RTU與Modbus TCP寫指令對比

指令的涵義：從地址碼為01（TCP協(xié)議單元標志為00）的模塊0x18E(01 8E)寄存器地址開始寫（10）一個（00 01）寄存器，具體數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)（02），數(shù)據(jù)正文內(nèi)容為00 00（00 00）。

通過串口抓包我們知道了，Modbus TCP與Modbu RTU的區(qū)別。我們可以看出在SimpleWiFi系列的串口轉(zhuǎn)WiFi模塊S2W-M02以及S2W-M03內(nèi)部的Modbus支持，就是按照上述協(xié)議進行轉(zhuǎn)換。主要完成了WiFi接收到網(wǎng)絡(luò)層的modbus協(xié)議后，將modbus TCP頭部的幾個自己去掉。然后在數(shù)據(jù)包的結(jié)尾增加CRC的校驗即可。