Modbus RTU: сборка и разбор кадров

Как пользоваться калькулятором

Собрать запрос. Укажите адрес устройства, функцию и её поля. Адрес регистра вводится так, как он идёт в кадре, — с нуля, десятичным числом или в виде 0x006B; рядом калькулятор показывает тот же регистр в нотации Modicon. Значения для функции 16 перечисляются через пробел или запятую: десятичные, отрицательные (они записываются в дополнительном коде) или шестнадцатеричные. Состояния для функции 15 — единицы и нули по порядку адресов, первый символ относится к начальному адресу. На выходе — кадр с CRC, таблица полей, вид и длина нормального ответа и ответа с исключением, паузы и время передачи на выбранной скорости. Кадр копируется строкой байтов или массивом для программы на C.

Разобрать кадр. Вставьте байты в любом виде: 01 03 00 0A, 0x01,0x03 или 01030A. Калькулятор проверит CRC, назовёт функцию и разложит кадр по полям, а регистры покажет как uint16 и int16 и парами — как uint32, int32 и float32 в четырёх порядках байтов. Если кадр вставлен без CRC, калькулятор допишет её сам и скажет об этом. Переключатель «авто — запрос — ответ» нужен потому, что направление в кадре не записано; когда его удаётся определить по длине, режим «Авто» объясняет, как именно.

Номер → адрес. Введите номер из документации на устройство — 40108, 400108 или 30009 — и получите таблицу данных, код функции и адрес для кадра. Кнопки под результатом сразу подставляют их в запрос.

Состояние калькулятора хранится в адресе страницы: ссылкой на собранный запрос или разобранный кадр можно поделиться.

Структура кадра Modbus RTU

Код функции вместе с данными — это PDU, часть кадра, одинаковая для Modbus RTU и Modbus TCP; она не длиннее 253 байт. Адрес устройства и CRC добавляет последовательная линия, отсюда предел в 256 байт на весь кадр.

Все 16-битные поля — адреса, количества, значения регистров — передаются старшим байтом вперёд: значение 0x1234 уходит в линию как 12 34. CRC — единственное исключение: её младший байт идёт первым. Считается она по всем байтам от адреса устройства до конца данных с начальным значением FFFF и полиномом A001; в примере из спецификации кадр 02 07 получает CRC 0x1241 и уходит в линию как 02 07 41 12. Посчитать CRC для произвольных данных и получить функцию на C можно в калькуляторе CRC.

Начало и конец кадра ничем не помечены: приёмник находит их по паузам, о которых — ниже.

Функции 01–06, 15 и 16: запрос и ответ

Modbus делит данные устройства на четыре таблицы: дискретные выходы (coils) и дискретные входы — по одному биту, входные регистры и регистры хранения — по 16 бит. Входы и входные регистры можно только читать. Таблицу выбирает код функции, поэтому один и тот же адрес 0 в запросах с функциями 03 и 04 — это два разных регистра.

В скобках — размер поля в байтах; N — число байтов данных.

Несколько правил, на которых чаще всего спотыкаются:

• Регистры занимают по два байта, старший первым; счётчик байт равен удвоенному количеству регистров.
• Биты упаковываются по восемь в байт. Первый запрошенный выход или вход — младший бит первого байта, следующие идут к старшему биту и дальше в следующий байт. Счётчик байт — количество, делённое на 8, с округлением вверх; лишние старшие биты последнего байта заполняются нулями. Десять выходов с состояниями 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 — это байты CD 01.
• Функция 05 принимает только два значения: FF00 — включить, 0000 — выключить. Любое другое недопустимо и выход не меняет.
• Ответ на запись короткий: функции 05 и 06 возвращают запрос целиком, функции 15 и 16 — только адрес и количество, без данных.
• Широковещательный запрос с адресом 0 выполняют все устройства, и никто на него не отвечает. Поэтому он имеет смысл только для функций записи. После него ведущий выдерживает паузу, обычно 100–200 мс, прежде чем отправить следующий запрос.

Длина кадра вместе с адресом устройства и CRC:

По этим длинам режим «Авто» и отличает запрос от ответа. У функций 03 и 04 запрос занимает 8 байт, а ответ — всегда нечётное число. У функций 15 и 16 ровно 8 байт занимает ответ, а запрос длиннее. У функций 05 и 06 запрос и ответ совпадают байт в байт. Неоднозначность остаётся только у функций 01 и 02: восемь байт — это и запрос, и ответ с тремя байтами данных. Если третий байт равен 03, а два байта перед CRC складываются в допустимое количество от 1 до 2000, кадр подходит под оба варианта. Калькулятор об этом предупреждает и просит выбрать направление вручную.

Ответ с исключением и коды исключений

Если запрос принят без ошибок связи, но выполнить его нельзя, устройство отвечает кадром из пяти байт: свой адрес, код функции с установленным старшим битом, код исключения и CRC. На запрос 01 03 00 00 00 0A C5 CD устройство, у которого нет таких регистров, ответит 01 83 02 C0 F1.

Проверки идут по порядку: сначала код функции (исключение 01), затем количество (03), затем адреса (02), и только потом запрос выполняется (04 при сбое). Поэтому запрос на 126 регистров вернёт исключение 03, даже если самих адресов в устройстве нет. По спецификации код 03 говорит об ошибке в структуре запроса, а не о том, что записываемое значение не подходит регистру по смыслу.

Исключение приходит только на запрос, принятый без ошибок. Если не сошлись CRC или чётность, устройство молчит, и ведущий узнаёт об ошибке по таймауту. То же происходит, когда устройства с таким адресом на шине нет.

Паузы t1,5 и t3,5 и время передачи

Символ в режиме RTU занимает 11 бит: старт-бит, 8 бит данных младшим битом вперёд, бит чётности и стоп-бит. По умолчанию чётность even — формат 8E1; без чётности спецификация требует два стоп-бита, 8N2, чтобы символ остался 11-битным. О самих кадрах последовательного порта — в статье про UART.

Длительность символа, паузы и время передачи кадра из $N$ байт на скорости $B$ бит/с:

• t_3,5 — тишина между кадрами: не меньше 3,5 символа. По ней приёмник находит конец одного кадра и начало следующего.
• t_1,5 — наибольшая пауза между соседними символами одного кадра. Если она длиннее 1,5 символа, кадр считается оборванным и отбрасывается. Кадр нужно передавать сплошным потоком.

На скоростях выше 19 200 бит/с спецификация рекомендует не считать паузы в символах, а взять фиксированные 750 мкс для t_1,5 и 1,75 мс для t_3,5: иначе таймеры срабатывают слишком часто и нагружают процессор.

Калькулятор складывает из этих величин нижнюю границу цикла обмена: запрос, пауза t_3,5, ответ и ещё одна пауза t_3,5 перед следующим запросом. Реальный цикл длиннее на время, за которое устройство обрабатывает запрос; его даёт документация на устройство или осциллограф. Таймаут ожидания ответа спецификация оставляет приложению и приводит ориентир: от одной до нескольких секунд при 9600 бит/с.

Обязательные скорости — 9600 и 19 200 бит/с, вторая — по умолчанию. Передатчик должен выдерживать скорость точнее 1 %, приёмник — допускать расхождение 2 %; получится ли это на вашем кварце, покажет калькулятор скорости UART.

Номера регистров 4xxxx и адреса в кадре

В документации на устройства регистры часто обозначены номерами вида 40001, 30009 или 10197. Это нотация контроллеров Modicon: первая цифра — таблица данных, остальные — номер элемента в таблице, и счёт идёт с единицы. В кадре нет ни первой цифры, ни счёта с единицы: таблицу задаёт код функции, а адрес на единицу меньше номера.

Примеры из руководства Modicon: регистр 40001 — функция 03 и адрес 0000; регистр 40108 — адрес 107, или 0x006B; входной регистр 30009 — функция 04 и адрес 8; входы 10197–10218 — функция 02, адрес 196 (0x00C4) и количество 22.

Пять цифр оставляют на номер четыре разряда, то есть 9999 элементов, а адрес в кадре занимает 16 бит и вмещает 65 536. Поэтому появилась запись из шести цифр: 400001 — тот же регистр, что и 40001, а 410000 в пять цифр уже не записать.

В самой спецификации Modbus этой нотации нет. Там сказано только, что элементы каждой таблицы нумеруются с единицы, а в кадре элемент с номером X имеет адрес X − 1. Отсюда и главная путаница: в одних документах указаны номера, в других — адреса с нуля, часто шестнадцатеричные. Признак адреса — запись вида 0x006B или нулевой адрес в начале таблицы. Если значения приходят сдвинутыми на один регистр или устройство отвечает исключением 02 на первый или последний регистр карты, попробуйте адрес на единицу меньше или больше.

32-битные значения и порядок байтов

Спецификация определяет только 16-битный регистр и порядок байтов в нём — старший первым. Как уложить в два регистра 32-битное целое или float, она не говорит, и производители делают это по-разному. Вариантов четыре: два порядка байтов внутри регистра и два порядка самих регистров.

Обозначим байты значения буквами от старшего A до младшего D. Число 123,456 в формате float — это 0x42F6E979: A = 42, B = F6, C = E9, D = 79.

Порядок ABCD продолжает правило спецификации на два регистра. Порядок CDAB тоже распространён: в справке к драйверу Kepware вариант «первым идёт младшее слово» включён по умолчанию и назван соглашением пакета программирования Modicon Modsoft. В настройках драйверов и SCADA эти два выбора обычно разнесены на два переключателя — порядок байтов в регистре и порядок слов.

Если документация молчит, порядок подбирают по смыслу. Прочитайте пару регистров с величиной, значение которой известно хотя бы примерно, — напряжение сети, температуру в помещении — и посмотрите на четыре варианта в калькуляторе. Правдоподобное число получается только в одном. Если пары выглядят бессмысленно во всех порядках, возможно, значение начинается с соседнего регистра: переключите начало пар. Как float устроен побитно, показывает конвертер систем счисления.

Пример: запрос десяти регистров и разбор ответа

Запрос. Нужно прочитать 10 регистров хранения, начиная с адреса 0, у устройства с адресом 1 на скорости 9600 бит/с — это состояние калькулятора по умолчанию.

1. Адрес устройства — 01, код функции — 03.
2. Адрес первого регистра 0 — байты 00 00, количество 10 — байты 00 0A.
3. CRC-16 по шести байтам 01 03 00 00 00 0A равна 0xCDC5, в кадр она идёт младшим байтом вперёд: C5 CD.
4. Кадр целиком: 01 03 00 00 00 0A C5 CD — 8 байт, на передачу уходит 8 × 11 / 9600 = 9,17 мс.

Нормальный ответ начнётся с 01 03 14: счётчик байт 0x14 — это 20 байт данных, по два на регистр. Вместе с адресом, кодом функции, счётчиком и CRC получается 25 байт и 28,65 мс. Цикл обмена — не короче 9,167 + 4,010 + 28,646 + 4,010 = 45,83 мс, то есть при 9600 бит/с такой опрос удаётся повторять не чаще 21 раза в секунду. Если регистров с такими адресами нет, придёт 01 83 02 C0 F1.

Ответ. В режиме «Разобрать кадр» по умолчанию стоит ответ на запрос двух регистров: 01 03 04 41 CC 00 00 2E 30.

1. 01 — адрес устройства, 03 — функция, 04 — счётчик байт: два регистра.
2. Регистры: 41CC — это 16 844, и 0000 — это 0.
3. CRC: в кадре 2E 30, то есть 0x302E; расчёт по первым семи байтам даёт то же значение.
4. Как 32-битное значение пара 41CC 0000 в порядке ABCD — это float 25,5. Остальные порядки дают 2,36·10⁻⁴¹, −5,06·10⁷ и 7,33·10⁻⁴¹ — очевидно не температура и не напряжение. Значит, устройство передаёт float в порядке ABCD.

Типичные ошибки

• Адрес сдвинут на единицу. Номер 40001 введён как адрес 1 или 40001. В кадре должен быть 0.
• Функция не от той таблицы. Регистры 3xxxx читаются функцией 04, а не 03; выходы — функцией 01, входы — 02. Устройство ответит исключением 01 или 02 либо вернёт значения совсем других регистров.
• Байты CRC переставлены или CRC посчитана другим алгоритмом. Нужна CRC-16/MODBUS: начальное значение FFFF, полином A001, младший байт первым. На такой кадр устройство не отвечает.
• Слишком большое количество. Больше 125 регистров или 2000 битов за одно чтение, больше 123 регистров или 1968 выходов за одну запись — исключение 03. Длинную карту читают несколькими запросами.
• Паузы внутри кадра. Байты отправляются по одному с задержками больше t_1,5, и приёмник видит несколько оборванных кадров. Кадр нужно отдавать в порт целиком.
• Запрос сразу после ответа. Между концом ответа и следующим запросом нужна тишина не короче t_3,5.
• Разный формат символа. У ведущего 8E1, у устройства 8N2 или 8N1 — символы принимаются с ошибками чётности и кадра, и ответа нет. Скорость, чётность и число стоп-битов должны совпадать у всех устройств на линии.
• Перепутан порядок байтов 32-битного значения: вместо 25,5 получается число порядка 10⁻⁴¹ или 10⁷.
• Ожидание ответа на широковещательный запрос. На адрес 0 устройства не отвечают, а читать по нему бессмысленно.
• Передатчик RS-485 выключен раньше конца кадра. Последний байт — старший байт CRC — обрезается, и кадр отбрасывается. Когда снимать сигнал DE, разобрано в статье про RS-485.