Modbus RTU协议简介即CRC算法实现

news2024/7/6 18:54:28

1 Modbus 介绍

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。
Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。
对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。
本文描述是正是Modbus RTU中使用的校验和算法。
MODBUS 通讯方式采用主从方式的查询相应机制，只有主站发出查询时，从站才能给出响
应，从站不能主动发送数据。主站可以向某一个从站发出查询，也可以向所有从站广播信息。
从站只响应单独发给它的查询，而不响应广播消息。

2 Modbus RTU协议传输方式

串口配置每个字节的数据位：1 个起始位、8 个数据位、1 个停止位（无奇偶校验位）。
MODBUS-RTU 数据帧的结构：

说明：

数据字段中多字节成员是按网络字节序即高位在前。
校验字段两个字节是小端字节序即低位在前。
校验码是对其前面地址码，功能码和数据码的校验值。

2.1 地址码

由一个字节（8 位二进制码）组成，各从机设备的寻址范围 01～F7（转成十进制 1～247），
其它地址保留。

2.2 功能码

功能码告诉了被寻址到的终端执行何种功能。

2.3 数据码

数据码包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者设置值。例如：功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要反映明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，而从机数据码回送内容则包含了数据长度和相应的数据。

2.4 校验码

校验码错误校验（CRC）域占用两个字节，包含了一个 16 位的二进制值。CRC 值由传输设
备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算 CRC 值，然后与接收到的
CRC 域中的值进行比较。如果这两个值不相等，就发生了错误。
生成一个 CRC 的流程为：

预置一个 16 位寄存器为 OFFFFH（16 进制，全 1）,称之为 CRC 寄存器。
把数据帧中的第一个字节的 8 位与 CRC 寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回 CRC
寄存器。
将 CRC 寄存器向右移一位，最高位填以 0，最低位移出并检测。
上一步中被移出的那一位如果为 0：重复第三步（下一次移位）；为 1：将 CRC 寄存器与
一个预设的固定值（多项式 0A001H）进行异或运算。
重复第三点和第四步直到 8 次移位。这样处理完了一个完整的八位。
重复第 2 步到第 5 步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。
最终 CRC 寄存器的值就是 CRC 的值。

3 CRC算法实现

2.1 代码

#include <cstdint>
#include <cstdio>

//MODBUS-RTU协议使用的CRC16算法
uint16_t modbus_crc16(uint8_t *data, uint16_t size)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for(uint16_t i = 0; i < size; ++i)
    {
        crc ^= (*data++);
        for(uint8_t b = 0; b < 8; ++b)
        {
            if(!(crc & 0x1))
                crc >>= 1;
            else
            {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            }
        }
    }
    return crc;
}

int main()
{
    uint8_t data1[] = { 0x01, 0x06, 0x00, 0x10, 0x00, 0x03 };
    uint8_t data2[] = { 0x01, 0x06, 0x00, 0x10, 0x00, 0x01 };
    uint16_t crc1 = modbus_crc16(data1,sizeof(data1));
	uint16_t crc2 = modbus_crc16(data2,sizeof(data2));
    printf("crc1: %02X %02X\n", (crc1 & 0xFF), (crc1 >> 8));
	printf("crc2: %02X %02X\n", (crc2 & 0xFF), (crc2 >> 8));
    return 0;
}