ModBus RTU、ASCII、TCP的应用简介

一路上

前言

ModBus是一种通信协议，用于连接自动化设备（如PLC、温度控制器等）和计算机。它被广泛应用于工业控制系统，支持多种通信方式，包括ModBus RTU、ModBus ASCII和ModBus TCP等。

所有ModBus协议的基本结构

无论变体如何，所有标准ModBus通信都遵循相同的消息传递结构。一切都围绕着将值存储在寄存器中然后读取它们。这里有几种数据类型在起作用。

例如，离散输入可以存储为单个位。更广泛地说，输入寄存器存储基于 ModBus 的设备收集的值。将多个分立器件存储为单个位，而模拟值甚至 ASCII 字符可能存储在 8 位寄存器中（最低有效位为 0 位，最高有效位为 64 位）。

不同类型的寄存器按用于轮询它们的功能代码进行分类。功能代码字段中的“1”用于“读取线圈”（检查控制继电器的状态）。“2”表示“读取离散输入”（检查离散输入的状态）。“3”是“读保持寄存器”（从多用途读/写寄存器收集数据）。ModBus 规范中还有更多。寄存器由其“起始地址”请求，起始地址是一个 16 位值，用于唯一标识设备中的每个寄存器。对RTU或其他设备的主控请求将始终引用要报告的所需寄存器。

ModBus RTU

ModBus RTU（Remote Terminal Unit）是ModBus协议最常见的实现方式，采用二进制数据传输，具有较高的传输效率和稳定性。它使用串行通信，支持RS232和RS485两种接口。在RTU模式下，每个字节可以传输两位十六进制字符。比如0xAB会直接以十六进制0xAB（二进制10101011）进行发送。其消息帧格式由以下部分组成：

RTU模式采用16 位CRC校验，后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和。RTU模式比较常用，而ASCII一般很少用。

ModBus TCP

ModBus TCP（Transmission Control Protocol）是ModBus协议的一种扩展，它使用TCP/IP协议进行通信，可以在局域网（LAN）和广域网（WAN）之间传输数据。ModBus TCP支持多种网络设备，包括计算机、服务器、交换机、路由器等。它适用于远程监控和控制，常用于工业网络和物联网应用。该协议的物理层、数据链路层、网络层、传输层都是基于TCP协议，它只是在应用层将ModBus协议封装进去。然后接收端将该TCP数据包拆包后，重新获得原始ModBus帧，然后按照ModBus协议规范进行解析，并将要返回的数据包重新封装到TCP协议中，发回至发送端。与串行通信的传输格式不同，TCP模式去除了附加地址和校验，增加报文头，如下图所示。

通过以太网传输时使用TCP模式，不使用校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

ModBus RTU和ModBus TCP作为ModBus协议的两个主要变体，传统上，ModBus RTU（需要将信息传送回ModBus主站或SCADA HMI的RTU）被许多不同类型的设备使用。ModBus RTU通常通过RS485串行发送。这种菊花链通信通道允许多个设备在主从配置中向单个HMI端口报告。每个从设备都能够通过向主设备发送流量来说话。这使得ModBus网络结构保持相当简单。

ModBus ASCII

ModBus ASCII（American Standard Code for Information Interchange）采用ASCII码传输文本信息，每个8Bit 字节都作为两个ASCII字符发送。相对ModBus RTU而言，它的传输效率较低，但具有更好的可读性。ModBus ASCII也使用串行通信，并支持RS232和RS485两种接口，适用于短距离通信。在ASCII模式下，每个8位的字节拆分为两个ASCII字符进行发送，消息帧以英文冒号“：”开始，以回车和换行（CRLF）符号结束。例如十六进制数0xAB，会被分解成ASCII字符“A”和“B”进行发送。

ASCII模式允许两个字符之间长达1s的间隔时间而不引发通信故障，ASCII格式采用纵向冗余校验（LRC）的校验和。

三者的区别

ModBus RTU和ModBus TCP的主要区别在于ModBus RTU使用菊花链网络，因此可以通过两条线连接整个网络，并通过为每个节点提供唯一的地址来与每个设备进行通信。ModBus TCP使用星形网络，其中每个节点都有一条称为Cat 5或Cat 6的单独电缆。它们可以使用路由器连接。它们还带有网络上每个节点唯一的个人地址。地址可以是 1 到 255，这意味着理论上，我们可以在同一网络上拥有 254 台设备。也可以通过互联网使用ModBus TCP。

在ModBus RTU和ModBus ASCII中，通信是通过串行接口进行的，这意味着它们只能在较短的距离内进行通信。如果需要在较远的距离进行通信，则需要使用ModBus TCP。另外ModBus RTU和ModBus ASCII使用二进制和ASCII码分别进行数据传输，因此它们的传输效率和可读性存在差异。

在选择ModBus通信方式时，需要考虑多种因素，包括通信距离、传输效率和可读性。对于短距离通信，ModBus RTU和ModBus ASCII均可作为选择。如果需要更高的传输效率，则可以选择ModBus RTU；如果需要更好的可读性，则可以选择ModBus ASCII。对于远距离通信，则只能使用ModBus TCP。

结语

在485总线上，MODBUS RTU协议理论是可以挂200+台设备，但实际应用中，由于阻抗等原因，一般是32台，除去自身的话，就是31台。其次，通过ModbusRTU实现一主多从时，肯定会对时效性有所影响，尤其是出现掉站的情况。因为轮询必然会对每个站进行通信，如果该站故障，那么必然会在该站中花费一定的超时时间，在总共9个站，8个站通信失败，出现异常迟钝的情况，是正常。