Modbus-RTU

By Chris 27 December 2024

Introduction

Modbus 是常用的工業總線協議，屬於 Application Layer，工業上常用 Modbus-RTU 搭配 RS-485 或者 Modbus-TCP 搭配 Ethernet 來傳輸，也可以使用 UART 或 RS-232 甚至 RF 等無線媒介傳遞 Modbus 協議，並沒有規定一定要搭配哪種實體層。本文著重介紹 Modbus-RTU 搭配 RS-485 的通訊架構。

Modbus 幾種類型與傳輸媒介搭配:

image: Modbus Type

幾種 Modbus 形式: Modbus-RTU、Modbus-ASCII、Modbus-TCP

Modus-ASCII

早期這個協議用比較多，但被傳輸更有效率的 Modbus-RTU 取代，請參考與 Modbus-RTU 之比較。

Modus-RTU

Modbus-RTU (Remote Terminal Unit) 的命名強調了它的應用場景是為遠程設備之間的高效通訊而設計。

Modbus-RTU 協議規定採用 Master / Slave 架構，一律由 Master 發起通訊，相應的 Slave 進行回應。 因為 Modbus 為 Application 協議，並無規範用什麼媒介傳遞

  • 故可以選擇 UART TTL 直接傳輸，或者加上 MAX232 晶片，採用 RS-232 傳輸標準。這兩者都是 point-to-point 拓樸，即 1 個 Master 對 1 個 Slave 點到點傳輸。
  • 不過工業界用最多的還是 UART 加上 MAX485 晶片的 RS-485 標準，比起 RS-232 有眾多優勢，並且他是 Bus topology，多裝置得以連接在同一 fieldbus 上，即 1 個 Master 對多個 Slaves，非常適合工業自動化多設備連接。

Modbus-TCP

核心封包結構 Modbus-RTU 沒有差很多，只是是經由 Ethernet 媒介的網路架構，這使使得 Modbus-TCP 在許多方面都比 Modbus-RTU 來的強大，不論是速度、裝置數量限制，拓樸等。

Ethernet 通過交換機可形成 Star topology，得益於 Ethernet 架構，可以設計為 Ethernet client / server 形式，能有多個 clients 端，亦能同時對多個 Slaves 發起請求。

Modbus-RTU 與 Modbus-TCP 重點比較

Modbus-RTU 模式

  • 採用 Master/Slave 架構，由 Master 發起 request 並等待 slave response，常見的實作是 blocking 的方式，若有多個裝置，那就是由 Master 一一去 polling 多個 Slaves 裝置。而實作成非阻塞(non-blocking)或非同步(asynchronous) 的 Modbus RTU 是完全可行的，並且在某些情況下更高效。
  • 通信延遲取決於波特率、串行接口速度，以及訊息間的 3.5 字元時間間隔。且單次通信通常只能處理一個主從請求，當設備數量增加或通信頻繁時，效率下降明顯。
  • 適用於短距離、低成本的串行通信環境。搭配 RS-485 可支援多節點通信，適合小型分布式系統。

Modbus-TCP 模式

  • Client 可以一次對多個 Servers 發出 request，是較快速的資料交換方式，但 Servers 的 response 順序不一定照著 request 的順序，這是網路的特性。
  • 因為採用 Ethernet，因此可以輕鬆與許多其他 Ethernet 裝置或者透過 Ethernet Gateway 與其他總線協議共享同一網路，擴充性更好。
  • Modbus-TCP 是將 Modbus-RTU 的 PDU（Protocol Data Unit）封裝為 TCP 的應用層數據; Slave ID 則改用 ip address; 且捨棄原本的 CRC 校驗欄位，採用 TCP/IP 協議的校驗機制。
  • 基於高速以太網，通信延遲較低，可同時處理多個 TCP 連線，支援更高數量的設備，實現並行通信，不會因為單線阻塞而影響整體效率。
  • 常用於現代化的工業控制系統，支持雲端和遠程監控，可直接集成於 IT 網絡，與其他基於 TCP/IP 的系統無縫通信。
  • 設備需要以太網接口，硬體成本較高，且實現相對複雜，需要 TCP/IP 協議棧支持，需要配置 IP 地址、子網掩碼和網關等網絡參數。
特性 Modbus RTU Modbus TCP
傳輸媒介 RS-232 / RS-485 Ethernet
傳輸速率 低（受波特率限制，例如 9600bps、115200bps） 高（受網絡速率限制，可達數百 Mbps）
設備數量 受限（最多 32 個節點） 基於 ip，幾乎無限
通信效率 單線串行通信，效率低 多連接並行通信，效率高
設備成本 低 較高
配置難度 簡單 複雜
適用場景 小規模、低成本工業通信 大規模、現代化網絡通信
架構 需要明確的主從關係（Master/Slave） Client/Server 架構，可同時與多個設備通信

根據應用需求選擇：

  • 如果系統規模小，且需要低成本的穩定通信，Modbus RTU 是理想選擇。
  • 如果需要高速、大規模、靈活的通信環境，特別是需要與 IT 系統集成，選擇 Modbus TCP 更為合適。

RS-485 簡介

  • 由 RS-485(A) / RS-485(B) 2 線組成的雙絞線，傳遞差分訊號
    • 常用硬體是 MAX485 晶片，可將 UART TX/RX 信號轉為 differtial 差分信號。
    • 接收端判斷 2 線 A-B 的結果即可判斷數位訊號為 High(又稱 Mark) 或者 Low(又稱 Space)。
  • 為半雙工模式(Half-Duplex)，同一條總線上在任一時刻只有一個設備作為驅動器，其餘設備均作為接收器：
    • 主站請求時，主站是驅動器，從站是接收器。
    • 從站回應時，某一個從站成為驅動器，主站和其他從站是接收器。
  • RS-485 設計為 Multi-Drop 多設備共用總線的 Bus topology。
  • 其需要 2 個終端電阻施加在 Bus 兩側末端，跨接在 A 與 B 線上避免 signal reflection，這是 Bus topology 常見作法。
  • 限制: 標準的 RS-485 BUS 上的裝置數量上限為 32 台。

優點:

  • 因為是雙絞線差分信號，所以抗干擾性強，可以傳輸距離更遠。但須注意 cable length 跟 baudrate 以及裝置數量是相互影響的。
  • 比起 RS-232 point-to-point topology，RS-485 的 Multi-drop 架構可以多裝置連接共用總線。
  • 接線簡單，就 2 條線即可，不需要共地，因為是差分訊號，接收端只需要比較兩線的電壓差異，即可判斷訊號，傳送端跟接收端的電壓基準是不是相同並不重要。 (然而，若訊號出現問題還是可以試著共地試試。)
  • 對於程式開發者來說非常方便，就是直接控制 UART 晶片而已，所以也需要配置 UART 設定，比如 baudrate。

Modbus-RTU 協議

這邊不會詳細列出 request 跟 response 格式，因為 Modbus 協議很簡單，Modbus Specification 也舉例的蠻清楚，只要找裝置實際操作，對照 spec 看基本很容易就可以理解。 因此這邊主要提供一些 Diagram，透過圖片勾勒出基本概念。 本文章主要討論的對象是 Modbus-RTU，為了撰寫方便，若有未表示協議類型的 Modubs 簡稱，請默認其為 Modbus-RTU。

Modbus Frame

Modbus 封包共分 4 大部分:

  1. Slave Address (固定 1 byte)
  2. Function Code (固定 1 byte)
  3. Data (n Bytes)，Data field 依照不同 function code 會有不同的長度
  4. CRC (固定 2 bytes)

image: Modbus Frame

重點提要

  • Modbus 整個封包上限為 256 bytes，扣掉其他固定大小的部分，Data 部分的變動範圍就是 0 ~ 252 Bytes。
    • 封包一定是 Bytes 倍數，不會有零星的 bits，就算只操作 1-bit 的 coil，也會以 0 補滿傳遞 1 個 Byte。
  • Modbus-RTU 為 Master/Slave 架構，只能有一個 Master，故 Master 無須地址，但每個 Slaves 有唯一地址。Slave Address 由 1 byte 表示，其中 1-247 可使用，其餘保留給特殊用途。
  • Function Code 用來表示 Master 要 Slave 做什麼，針對 Slave Register Map 哪個類型部分; 讀 或 寫 ; single 或 multiple 操作。
  • Data 資料則是依據 Function Code 以及 request/response 需要，而有不同內容。
  • Modbus 採 CRC-16，而 CRC-16 有很多種，Modbus CRC 採用其中一種，有許多網路工具提供 CRC 計算，此工具經過測試沒問題。
    • CRC 是由前三個部分的數據計算而得的，照著 Slave Address, Function Code, n Bytes of Data 的順序輸入計算工具即可。
    • CRC-16 的 Low-Byte 先傳， High-Byte 後傳。(See page 113 of Modbus Specification)

傳送順序

  • 任意 Byte 中，必定是 Least Significant Bit 先傳，最後是 Most Significant Bit，即照 UART Protocol 順序。
  • 至於 Data Field 超過 1 Byte 以上的資料，就照 [Modbus Specification] 規範，每個 function code 的 request / response 都有清楚規範 Data Bytes 傳送順序。
  • CRC-16 的 2 Bytes 資料，規範是 Low-Byte 先傳， High-Byte 後傳。

Function Code

image: Function Code

Function Code 用來表示 Master 要 request Slave 做什麼，

  • 針對 Slave Register Map 哪個類型部分
  • 讀 or 寫
  • 是 single or multiple 操作。

Modbus Slave Register Map

Slave Register Map 分為 4 個部分:

  1. Discrete Output = Coil (1-bit)
  2. Discrete Input = Contact (1-bit)
  3. Input Register = Analog Input (16-bits, 2 words)
  4. Holding Register = Analog Output (16-bits, 2 words)

image: Slave Register Map

Slave 設計 Register Map，告知 Master 自己數據資料格式。Master 透過 function code 即可指定對 Slave Register Map 哪一部分的資料進行讀或寫。由上圖可看到 I/O Address Name 前綴第一個數字即代表 Slave Register Map 類型，比如說 4xxxx 代表 Holding Registers。

而封包 PDU 之中指定的 address，是相對於 function code 指定操作對象(Slave Register Map 4 個部分之一)的相對位址。比如 function code 為 6; PDU Address 給 2 的話，那就是針對 Holding Register 區域 offset 2 的位置，即操作 Register Map 40003 (40001 + 2) 這個 Holding Register。

Modbus 本質是資料交換 protocol，不過從 Modbus Slave Register Map 4 個部分之命名方式，隱含其與 PLC I/O 的連結，如 coil, contact, analog in, analog out 等等。 源於歷史，當初設計這個 protocol 就是把 Slave 設計為擴充 Master 之 I/O 而生，Master 操作 Slave 猶如操作自己的 Coils 或 Contacts。

但既然 Modbus 本質是資料交換，那 Slave 端 Register Map 自然不限於跟 Coils 與 Contacts 交互，資料交換後得以進行任意運算或其他 I/O 操作。

  • Master request Coils 或 Holding Registers 部分，資料流就是 : Master -> Slave。
  • Master request Discrete Inputs 或 Input Registers 部分，資料流就是 : Slave -> Master。

Modbus RTU 之傳輸時間間隔

封包與封包之間要有 3.5 chars 的傳輸間隔

Modbus RTU 協議規定相鄰的 Modbus frame 之間，必須有 「3.5 字元的傳輸時間之空閒間隔」來分隔封包：

  • 主站發送請求後，總線必須空閒至少 3.5 字元時間，從站才能開始回應。
  • 從站回應完成後，總線也需要維持 3.5 字元的空閒時間，主站 下一次請求才能發送。

在該時間區間內，master 與 slave 不做任何動作。 如果空閒間隔小於 3.5 字元時間，可能導致設備認為兩個 Modbus frame 是連續的一部分，從而發生解析錯誤。

3.5 字元時間如何計算？

以 UART 9600N81（8 個數據位元，無校驗位元，1 個停止位元）為例：

每個字元需要的時間：
(1 起始位 + 8 數據位 + 1 停止位) / baudrate
= (1 + 8 + 1) / 9600 秒
= 1.0417 毫秒/字元

3.5 字元的傳輸時間：
= 3.5 × 1.0417 毫秒
≈ 3.646 毫秒

字符傳送速度跟 UART baudrate 有關，跟封包大小無關。

Modbus RTU 的規定 Modbus frame 是連續發送的，中間不應有超過 1.5 字元的空閒時間

Modbus RTU 要求 Modbus frame 內的所有字節必須無間斷發送。 若 Modbus frame 中間有超過 1.5 字元的空閒時間，接收端會認為該 frame 已經結束，並將剩餘部分當作下一個 Modbus frame 的開頭。

Example

實驗步驟

  1. 在 Modbus RTU Slave 內部實作了 2 個 coils。

  2. 先以 Function Code 0x0F Write Multiple Coils，將第 1 個 Coil 寫 ‘0’，第 2 個 Coil 寫 ‘1’。

    image: Modbus-Example-Fig1

  3. 再以 Function Code 0x01 Read Coils 讀取，將得到 Coils 讀值為 0x02。

    image: Modbus-Example-Fig2

幾點觀察:

  • 在指定 PDU Data Address 以及 quantity 時，都是 High-byte 先傳再來才是 Low-byte。
    • quantity 單位是看傳什麼資料，若操作對象是 coil，那 quantity 代表多少 coils; 若操作對象是 holding register，那 quantity 則代表多少 holding registers。
  • 傳送 Data Value 時，若超過 1 byte，則是先傳 Data Address 指向的那筆資料，以 little-endian 的記憶體存放來說，那就是先傳 Low-Byte 的資料。
  • CRC 則是 Low-byte 先傳再來才是 High-byte。

至於每個 Byte 都是從 LSB 開始傳，最後才是 MSB，以上規範在規格書中都寫得很清楚。

不過一般使用者不需要了解那麼深入，只需要知道要放什麼資料即可，通常給使用者輸入的介面都是很友善的。

實測

測試目的與方法

為了要驗證對於 protocol 了解的是否正確，一定要實測看看，所以找了現成的 Modbus-RTU Master 與 Slave 來測試。為了方便測試，Master 找了跑在 PC 上的 UI 程式，方便操作; 而 Slave 則找 Arduino 程式，畢竟手邊有許多 Arduino 裝置，若想測試多台 slaves 的 bus topology 會比較方便。

在 Windows PC 用 QModMaster 作為 Master 測試 Arduino Modbus RTU Slave 功能，測試 QModMaster 支援之 Function code: 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x0f, 0x10。對照 Modbus Specification 手冊查看通訊格式，實測 Modbus-RTU Master 與 Slave 運作是否正確。

測試環境

  1. 因為手邊沒有 USBto485 裝置，所以僅使用 USB2UART 裝置，但我想對於測試 Modbus-RTU 效果是一樣的，只可惜無法像 RS-485 一樣測試多裝置。
  2. PC Modbus Master 軟體 - QModMaster
    • 簡單好用，支援 Modbus-RTU 與 Modbus-TCP，目前僅測試過 Modbus-RTU 部分。
    • 基於 Qt-based UI 及 libmodbus Modbus Library。 image: QModMaster
  3. Arduino Modbus Slave 韌體 - Arduino Modbus RTU Slave Example

    • 作者為: C.M.Bulliuer

    • 程式架構簡單，但需要好幾個 libraries 才能運作，compile 不過只要依照缺少 library 之提示，透過 library manager 一一下載即可。下圖為需要之相依程式庫:

      image: Arduino SlaveExample Lib dependency

Code

原始範例程式透過巨集定義是可以運行在多個平台的，只是為了呈現簡便，我只保留與我測試平台相關的部分。

#include <ModbusRTUSlave.h>

#if defined(__AVR_ATmega328P__) || defined(__AVR_ATmega168__) || defined(__AVR_ATmega2560__) || defined(__AVR_ATmega1280__)
#define MODBUS_SERIAL Serial
#else
#define MODBUS_SERIAL Serial1

#define MODBUS_BAUD 115200
#define MODBUS_CONFIG SERIAL_8N1
#define MODBUS_UNIT_ID 10

const int16_t buttonPins[2] = {2, 3};
const int16_t ledPins[4] = {5, 6, 7, 8};
const int16_t dePin = 13;
const int16_t knobPins[2] = {A0, A1};

ModbusRTUSlave modbus(MODBUS_SERIAL, dePin);

const uint8_t numCoils = 2;
const uint8_t numDiscreteInputs = 2;
const uint8_t numHoldingRegisters = 2;
const uint8_t numInputRegisters = 2;

bool coils[numCoils];
bool discreteInputs[numDiscreteInputs];
uint16_t holdingRegisters[numHoldingRegisters];
uint16_t inputRegisters[numInputRegisters];

void setup() {
    pinMode(knobPins[0], INPUT);
    pinMode(knobPins[1], INPUT);
    pinMode(buttonPins[0], INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonPins[1], INPUT_PULLUP);
    pinMode(ledPins[0], OUTPUT);
    pinMode(ledPins[1], OUTPUT);
    pinMode(ledPins[2], OUTPUT);
    pinMode(ledPins[3], OUTPUT);  

    modbus.configureCoils(coils, numCoils);
    modbus.configureDiscreteInputs(discreteInputs, numDiscreteInputs);
    modbus.configureHoldingRegisters(holdingRegisters, numHoldingRegisters);
    modbus.configureInputRegisters(inputRegisters, numInputRegisters);

    MODBUS_SERIAL.begin(MODBUS_BAUD, MODBUS_CONFIG);
    modbus.begin(MODBUS_UNIT_ID, MODBUS_BAUD, MODBUS_CONFIG);
}

void loop() {

    inputRegisters[0] = analogRead(knobPins[0]);
    inputRegisters[1] = analogRead(knobPins[1]);
    discreteInputs[0] = !digitalRead(buttonPins[0]);
    discreteInputs[1] = !digitalRead(buttonPins[1]);

    modbus.poll();

    analogWrite(ledPins[0], holdingRegisters[0]);
    analogWrite(ledPins[1], holdingRegisters[1]);
    digitalWrite(ledPins[2], coils[0]);
    digitalWrite(ledPins[3], coils[1]);

}

Architecture

image: Arduino SlaveExample Architecture

User 為 Slave Register Map 的 4 個部分分別定義 Array 空間，並透過 configure...() 函式與 Register Map 綁定。 Configure 完畢後，使用者只須要操作自己定義的變數空間(user defined variables)，無須去操作 Slave Register Map。

Slave 由 Modbus.poll() 函式，將 Slave Register Map 資料透過 Modbus 交換。

configure...() 等相關 configure API 只能設定一次，無法分次設置，所以必須一次給好完整空間。 這點比較可惜，因為我總想為 IO 設定有意義一點的名稱，比如 LED, fan 等等名稱，不想統統用 coils[] array 表示。

結果

經過測試兩者運作無誤，透過 Modbus Protocol，Master 可以 request 控制 Slave 不管是數位或類比之輸入輸出。 QModMaster 以及 Arduino Slave Example 都很簡單也成功通過測試，可以作為 Modbus 學習參考工具。 若未來要自己實現自己的 Modbus-RTU Master 或者 Slave 裝置，都可以用這些工具交叉驗證。

延伸討論

為何 Modbus 使用 RS-485 僅支持 32 個設備？

先說結論: 這是 RS-485 的物理層特性 的限制，而非 Modbus。

RS-485 的設備數量限制與其驅動能力有關：

每個設備（包括主站和從站）會對通信總線施加一定的負載，通常以 “單位負載（Unit Loads，UL）” 表示。 RS-485 總線上的每個裝置都是一個負載，RS-485 標準規範規定，驅動器必須能驅動 32 單位負載 。 每個負載會對總線施加一定的電氣負載，這些負載的累積不能超過驅動器的能力。意思是: 其中 1 台裝置作為驅動器 (Driver/Transceiver)發送訊號時，需要推動至少 31 台接收器 (Receiver)。

  • Driver（驅動器）：負責在 RS-485 總線上發送信號的設備，通常是主站或從站在某一時刻充當的角色。
  • Receiver（接收器）：負責接收來自總線上的信號的設備，驅動器之外的都是接收器。

擴充方法:

  • 現代 RS-485 晶片可能是低負載（Low-Load）設計（例如 1/4 UL 或 1/8 UL），這允許更多的設備接入，可以將設備數量增加到 128 或更多。
    • 如果接收器的負載是 1/4 UL，每個驅動器可以支持多達 128 個接收器（32 UL ÷ 1/4 UL = 128）。
    • 如果接收器的負載是 1/8 UL，每個驅動器可以支持多達 256 個接收器。
  • 或使用 中繼器(Repeater) 可以增加總線上的設備數量，同時擴展通信距離。
    • 中繼器將 RS-485 網絡分段，增強信號並重新驅動。
    • 每段網絡的設備數量仍受 1 驅動器 + 31 接收器的限制，但中繼器可以增加網絡的總設備數量。

Modbus 協議層的限制

Modbus 協議層限制了 ID 的範圍，Modbus 的從站地址（Slave ID）為 1 Byte，其中 0、248-255 保留作其他用途（如廣播地址和未來擴展），其實際 Slaves 地址範圍為 1-247。

5. 總結

Modbus 搭配 RS-485 時只能有 32 個設備是受制於 RS-485 物理層的能力。

  • “1 驅動器 + 31 接收器” 是 RS-485 在標準單位負載情況下的最大設備配置。
  • 使用低負載接收器或中繼器可以增加網絡容量。
  • 在實際應用中，信號完整性（如終端電阻和線路長度）也是限制 RS-485 設備數量的重要因素。

Modbus ASCII 和 Modbus RTU 比較

這是 Modbus 協議的兩種傳輸模式，它們的主要區別在於數據編碼、傳輸速度以及處理方式。以下是它們的比較：

  1. 數據編碼：

    • Modbus ASCII：數據是以 ASCII 字符格式傳送，每個字節都會轉換為兩個 ASCII 字符來表示。例如，字節 0x0A 會被傳送為兩個字符 0、A（十六進制）。
    • Modbus RTU：數據以二進制格式傳送，每個字節直接傳送 8 位數據。因此，Modbus RTU 在數據編碼上比 Modbus ASCII 更為高效，因為它不需要額外的字符轉換。

  2. 傳輸效率：

    • Modbus ASCII：由於每個字節需要被轉換成兩個 ASCII 字符，因此其傳輸效率較低，數據量更大，傳輸速度相對較慢。
    • Modbus RTU：由於使用的是二進制格式，數據量較少，傳輸速度較快，因此比 Modbus ASCII 更有效率。

  3. 同步機制：

    • Modbus ASCII：每個消息的結尾通常會有一個字符 CR（回車）和 LF（換行）來標誌結束，這樣可以幫助接收方識別消息結尾。
    • Modbus RTU：消息的結尾是由固定的時間延遲來確定，通常是無線消息之間有至少 3.5 個字符時間的間隔來標識一個消息的結束。

  4. 錯誤檢測：

    • Modbus ASCII：使用 16 位的 LRC (Longitudinal Redundancy Check) 校驗來檢查數據是否完整。
    • Modbus RTU：使用 CRC (Cyclic Redundancy Check) 校驗，它比 LRC 更強大，更適合長距離的數據傳輸。

總結來說，Modbus RTU 在大多數情況下都比 Modbus ASCII 更為高效，基本上現在很少在用 ASCII 模式，因此可以專注在 RTU 模式即可。

References