Modbus TCP 與 Modbus RTU的區別

Modbus通信協議由Modicon公司（現已經為施耐德公司并購，成為其旗下的子品牌）于1979年發明的，是全球最早用于工業現場的總線規約。由于其免費公開發行，使用該協議的廠家無需繳納任何費用，Modbus通信協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用極其廣泛，從而使得Modbus協議在全球得到了廣泛的應用。

Modbus通信協議具有多個變種，其具有支持串口（主要是RS-485總線），以太網多個版本，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總線的通信協議，其中Modbus RTU由于其采用二進制表現形式以及緊湊數據結構，通信效率較高，應用比較廣泛。而Modbus ASCII由于采用ASCII碼傳輸，并且利用特殊字符作為其字節的開始與結束標識，其傳輸效率要遠遠低于Modbus RTU協議，一般只有在通信數據量較小的情況下才考慮使用Modbus ASCII通信協議，在工業現場一般都是采用Modbus RTU協議，一般而言，大家說的基于串口通信的Modbus通信協議都是指Modbus RTU通信協議。

在此我們著重討論Modbus RTU協議，而Modbus TCP協議則是在RTU協議上加一個MBAP報文頭，由于TCP是基于可靠連接的服務，RTU協議中的CRC校驗碼就不再需要，所以在Modbus TCP協議中是沒有CRC校驗碼，用一句比較通俗的話說就是：Modbus TCP協議就是Modbus RTU協議在前面加上五個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之間的區別說得比較清楚了。

RTU協議中的指令由地址碼(一個字節），功能碼（一個字節），起始地址（兩個字節），數據（N個字節），校驗碼（兩個字節）五個部分組成，其中數據又由數據長度（兩個字節，表示的是寄存器個數，假定內容為M）和數據正文（M乘以2個字節）組成，而RTU協議是采用3.5個字節的空閑時間作為指令的起始和結束，一般而言，只有當從機返回數據或者主機寫操作的時候，才會有數據正文，而其他時候比如主機讀操作指令的時候，沒有數據正文，只需要數據長度即可。（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協議。我們使用的RTU設備是北京博安瑞通科技的SimpleWiFi串口轉WiFi模塊。

S2W-M02采用UAER進行通訊，支持串口轉WiFi，我們只講述通過WiFi網絡讀取開關量輸出的狀態以及通過WiFi寫指令控制開關量的輸出。其中儲存開關量輸出狀態的四個寄存器分別：0x18E,0x18F,0x190,0x191。在此我們假設模塊的地址為默認的0x01，當我們要去讀取開關量輸出對應的四個寄存器的狀態的時候，我們下發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據，“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個寄存器的數據返回至主機。在此，我們可以看到，讀取指令中并沒有什么數據正文，因為它只是讀取相應數量的寄存器，并不需要數據正文，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”表示數據長度，在此表示的是8個字節數據正文（即4個寄存器，每個寄存器兩個字節表示），“00 01 00 01 00 01 00 01”是數據正文，表示四個寄存器的狀態，“28 D7”就是CRC16校驗碼。

同樣的當我們執行寫操作的是，我們舉例寫第一個開關量輸出，即寄存器“0x18E”，主機下發的指令為：“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”表示數據長度，表示數據長度為兩個字節，“00 00”表示寫入寄存器的數據，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協議是在RTU協議前面添加MBAP報文頭，共七個字節長度，其分別的意義是：1.傳輸標志,兩個字節長度，標志Modbus詢問/應答的傳輸，一般默認是00 00。2.協議標志，兩個字節長度，0表示是Modbus,1表示UNI-TE協議，一般默認也是00 00。3.后續字節計數，兩個字節長度，其實際意義就是后面的字節長度，具體情況詳見下文。4.單元標志，一個字節長度，一般默認為00，單元標志對應于Modbus RTU協議中的地址碼，當RTU與TCP之間進行協議轉換的時候，特別是Modbus網關轉換協議的時候，在TCP協議中，該數據就是對應RTU協議中的地址碼，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協議，我們再說說Modbus TCP通信協議，前面就已經說過TCP協議就是在RTU協議的基礎上去掉校驗碼以及加上五個0和一個6，當是讀取相關寄存器的時候，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網關服務器掛接多個RTU設備的時候，數值從01-FF).即“00 03 01 8E 00 04”對應的是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表示的是數據長度，即“00 03 01 8E 00 04”有6個字節長度。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。

Modbus RTU與Modbus TCP讀指令對比：

指令的涵義：從地址碼為01（TCP協議單元標志為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，具體數據長度為2個字節（02），數據正文內容為00 00（00 00）。

通過串口抓包我們知道了，Modbus TCP與Modbu RTU的區別。我們可以看出在SimpleWiFi系列的串口轉WiFi模塊S2W-M02以及S2W-M03內部的Modbus支持，就是按照上述協議進行轉換。主要完成了WiFi接收到網絡層的modbus協議后，將modbus TCP頭部的幾個自己去掉。然后在數據包的結尾增加CRC的校驗即可。