【通信协议深入了解】：解析ATEQ气检仪MODBUS数据格式与编码规则


参考资源链接：[ATEQ气检仪MODBUS串口编程指南](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6e6be7fbd1778d4861f?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. MODBUS协议基础

MODBUS协议是一种广泛使用的工业通信协议，最早由Modicon公司于1979年发布。它基于主从架构，允许主机查询、诊断以及控制从属设备。MODBUS协议的出现极大地推动了工业自动化的发展，并成为业界标准之一。

## 1.1 MODBUS协议的起源和用途
MODBUS协议起源于工业控制系统，最初设计用于连接可编程逻辑控制器（PLC）。它逐渐演变成一个开放的标准协议，被用于各种自动化设备之间的通信，例如传感器、执行器、HMI（人机界面）和工业计算机。

## 1.2 MODBUS协议的特点
MODBUS协议的主要特点包括简单、高效、易于实现等。它支持多种数据格式和功能码，使它能够满足不同的工业自动化需求。MODBUS协议支持多种物理层，常见的有串行通信（RTU模式）和TCP/IP网络通信（TCP/IP模式）。

## 1.3 MODBUS协议的工作模式
MODBUS协议主要有两种模式：MODBUS RTU和MODBUS TCP/IP。RTU模式使用串行通信，适合长距离传输和点对点通信。TCP/IP模式则基于以太网，适合网络化应用和高速数据传输。

本章概述了MODBUS协议的起源、用途、特点和工作模式，为接下来深入探讨其数据格式和应用模式打下基础。了解MODBUS协议的基础知识对于设计和维护工业控制系统至关重要。

# 2. MODBUS数据格式详解

## 2.1 MODBUS协议的数据结构

### 2.1.1 数据帧格式分析

MODBUS协议定义了在多种传输介质上应用的数据帧格式。其中，最常用的是MODBUS RTU和MODBUS TCP两种模式的数据帧格式。在这部分中，我们将详细介绍两种模式下数据帧的结构，以及它们在实际应用中的区别和联系。

在MODBUS RTU模式中，数据帧由设备地址、功能码、数据和校验码组成。其结构如下：

1. 设备地址（1 byte）：标识了发送数据的从设备（如传感器、控制器等）。
2. 功能码（1 byte）：指明了主设备要执行的动作类型，如读取保持寄存器或写单个线圈。
3. 数据：根据功能码的不同，数据部分长度可变。例如，在读取多个保持寄存器功能码中，数据段表示要读取的起始地址和寄存器数量。
4. 校验码：对于MODBUS RTU模式，使用CRC校验码来确保数据帧的完整性。

在MODBUS TCP模式下，数据帧的结构略有不同，它在TCP/IP协议之上封装MODBUS协议：

1. MODBUS TCP头部：包含事务标识符（Transaction Identifier）、协议标识符（Protocol Identifier）、长度（Length）和单元标识符（Unit Identifier）。
2. 应用数据单元（ADU）：包含功能码和数据部分，其格式与RTU模式相同。
3. TCP/IP头部：包含源端口、目的端口、序列号等信息。

### 2.1.2 数据类型与编码

MODBUS协议支持多种数据类型，包括但不限于位、字节、整数、浮点数等。每种数据类型在数据帧中都有特定的编码方式。例如：

1. 线圈状态（Coil Status）：表示设备线圈的状态，每个线圈状态为一个位，即0或1。
2. 输入离散（Input Discretes）：用于表示输入离散值的状态，同样用一个位表示。
3. 保持寄存器（Holding Registers）和输入寄存器（Input Registers）：用于存储数值型数据，每个寄存器由两个字节表示，可以存储16位整数或浮点数等。

**代码块示例**：

# 以下是一个简单的Python代码示例，用于展示如何编码MODBUS的数据帧

# 引入MODBUS的Python库
from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient as ModbusClient

# 创建TCP连接
client = ModbusClient('127.0.0.1')
client.connect()

# 读取保持寄存器数据
result = client.read_holding_registers(address=10, count=5)
if result.isError():
    print("读取失败:", result)
else:
    # 输出读取到的数据
    print("寄存器内容:", result.registers)

client.close()

**逻辑分析与参数说明**：
- `ModbusTcpClient`：创建一个MODBUS TCP客户端实例。
- `connect()`：连接到MODBUS服务器。
- `read_holding_registers`：读取保持寄存器的函数，其参数`address`表示寄存器起始地址，`count`为读取寄存器的数量。
- `registers`：包含了从寄存器读取到的数据列表。

**注意**：在使用代码块时，应当确保每一步的逻辑清晰，并且在实际应用中，需要根据实际的服务器地址、端口和数据帧进行相应的调整。

## 2.2 MODBUS错误检测机制

### 2.2.1 奇偶校验和CRC校验的原理与应用

在MODBUS协议中，为了确保数据传输的准确性，采用了多种错误检测机制。最常见的包括奇偶校验和循环冗余校验（CRC）。

奇偶校验是一种简单有效的错误检测方法，它通过在数据帧中添加一个额外的位来确保数据中1的总数是奇数或偶数。若接收方计算得出的奇偶性与发送方不符，表明数据在传输过程中出现了错误。

CRC校验是一种更为严格的错误检测方法。它通过将数据视为一个大的二进制数，并使用一个预定义的多项式来进行运算。发送方在数据帧后附加一个CRC校验码，接收方对收到的数据进行相同运算，通过比对结果是否一致来判断数据是否正确。

**表格展示**：不同校验机制的优缺点

| 校验机制 | 优点 | 缺点 |
| -------- | ---- | ---- |
| 奇偶校验 | 实现简单，速度快 | 不能检测出所有错误 |
| CRC校验 | 检错能力强，误码率低 | 实现复杂度高，速度相对慢 |

### 2.2.2 错误处理方法与实例

当检测到错误时，MODBUS协议采用了一系列错误处理方法来应对。错误处理通常由主设备发起，根据错误类型进行相应的处理。例如，如果是因为CRC校验失败，则主设备可能会重发请求。

**错误处理流程**：

1. 检测到错误。
2. 主设备根据错误类型决定下一步操作。
3. 如果是暂时性错误，如CRC错误，主设备可以尝试重新发送请求。
4. 如果错误持续发生，则主设备可以报告错误或者跳转到错误恢复模式。
5. 错误恢复可以是简单的重复尝试，也可以是更复杂的诊断过程。

**mermaid流程图**：

graph LR
A[检测到错误] --> B[主设备决定错误类型]
B --> C[是否CRC错误?]
C -->|是| D[重发请求]
C -->|否| E[报告错误]
E --> F[执行错误恢复]
D --> F

**实际应用案例**：

某自动化车间使用MODBUS RTU协议控制多个传感器，通过串行通信。在数据帧传输过程中，某次通信的CRC校验失败。主设备接收到错误后，自动将该请求添加到重发队列，并在100ms后重发了该请求。通信最终成功，保证了传感器数据的准确传输。