现场总线控制系统（FCS）系列：Schneider Electric Modbus_（6）.Modbus数据帧结构解析.docx

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Modbus数据帧结构解析

1.Modbus数据帧的基本概念

Modbus是一种通信协议，主要用于工业设备之间的通信。它最初由Modicon公司（现在的SchneiderElectric的一部分）在1979年开发，用于其PLC（可编程逻辑控制器）产品。Modbus协议简单、可靠，广泛应用于各种工业控制系统中，特别是在环境监测系统中。Modbus协议支持串行通信和以太网通信，其中串行通信包括ModbusRTU和ModbusASCII，以太网通信包括ModbusTCP。

1.1数据帧的定义

在Modbus协议中，数据帧是通信的基本单位。数据帧包含了设备之间传输的所有必要信息，包括地址、功能码、数据以及校验码。数据帧的结构和内容根据通信模式的不同而有所差异。

1.2数据帧的类型

Modbus数据帧主要有两种类型：请求帧和响应帧。请求帧由主设备发送，包含请求的具体内容；响应帧由从设备发送，包含对请求的回应。

2.ModbusRTU数据帧结构

ModbusRTU是Modbus协议的一种串行通信模式，采用二进制编码，传输效率高，适用于需要高速数据传输的场景。ModbusRTU数据帧结构如下：

[起始位][设备地址][功能码][数据区][校验码][结束位]

2.1起始位

起始位表示数据帧的开始，是一段静止时间，至少为3.5个字符时间。在实际通信中，起始位是由主设备控制的，确保从设备能够正确识别数据帧的开始。

2.2设备地址

设备地址（1字节）用于标识目标设备。Modbus网络中，设备地址范围为0x01到0xFF，其中0x00表示广播地址，用于向所有从设备发送请求。

2.3功能码

功能码（1字节）用于指示请求的具体操作。常见的功能码包括读输入寄存器（0x04）、读保持寄存器（0x03）、写单个寄存器（0x06）等。功能码的详细列表可以在Modbus协议规范中找到。

2.4数据区

数据区包含请求或响应的具体数据。数据区的长度和格式根据功能码的不同而有所变化。例如，读保持寄存器功能码的数据区包含起始寄存器地址和寄存器数量。

2.5校验码

校验码（2字节）用于确保数据的完整性。ModbusRTU使用CRC（循环冗余校验）算法进行校验。CRC校验码是通过对整个数据帧（从设备地址到数据区）进行计算生成的。

2.6结束位

结束位表示数据帧的结束，也是一段静止时间，至少为3.5个字符时间。结束位确保从设备能够正确识别数据帧的结束。

3.ModbusRTU数据帧示例

3.1读保持寄存器请求帧

假设我们需要从设备地址为0x01的设备中读取起始地址为0x0001的10个寄存器的数据。请求帧如下：

01030001000A1621

01：设备地址

03：功能码（读保持寄存器）

0001：起始寄存器地址

000A：寄存器数量

1621：CRC校验码

3.2读保持寄存器响应帧

假设从设备0x01返回了10个寄存器的数据，每个寄存器16位。响应帧如下：

010314000100020003000400050006000700080009000A390B

01：设备地址

03：功能码（读保持寄存器）

14：字节数（10个寄存器，每个16位，共20字节）

000100020003000400050006000700080009000A：寄存器数据

390B：CRC校验码

3.3CRC校验码计算

以下是计算CRC校验码的Python代码示例：

defcrc16(data:bytearray)-int:

计算ModbusRTUCRC校验码

:paramdata:输入数据

:return:计算得到的CRC校验码

crc=0xFFFF

forbyteindata:

crc^=byte

for_inrange(8):

ifcrc0x0001:

crc=1

crc^=0xA001

else:

crc=1

returncrc

#示例数据

request_data=bytearray([0x01,0x03,0x00,0x01,0x00,0x0A])

#计算CRC校验码

crc=crc16(request_data)