聊聊［Modbus ASCII］

最新推荐文章于 2025-12-04 22:56:41 发布

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Modbus ASCII 概述

Modbus ASCII 是 Modbus 协议的一种串行传输模式，采用 ASCII 字符编码格式传输数据。与 Modbus RTU 相比，其数据可读性更强，但传输效率较低。适用于低速率、需要人工调试的场景。

Modbus ASCII 帧格式

Modbus ASCII 的帧结构如下：

起始符：以冒号 :（ASCII 0x3A）开头。
地址域：1 字节的设备地址，转换为 2 个 ASCII 字符。
功能码：1 字节的操作指令，转换为 2 个 ASCII 字符。
数据域：可变长度，内容取决于功能码，每字节转换为 2 个 ASCII 字符。
LRC 校验：1 字节的纵向冗余校验值，转换为 2 个 ASCII 字符。
结束符：回车 CR（ASCII 0x0D）和换行 LF（ASCII 0x0A）。

示例帧：
:010300000001FB\r\n

: 为起始符。
01 为设备地址 1。
03 为功能码（读取保持寄存器）。
00000001 为数据（起始地址 0x0000，读取 1 个寄存器）。
FB 为 LRC 校验值。
\r\n 为结束符。

LRC 校验计算

LRC（Longitudinal Redundancy Check）校验步骤如下：

将所有字节（包括地址、功能码、数据）相加，忽略溢出。
对结果取补码（按位取反后加 1）。
最终结果为 1 字节，转换为 2 个 ASCII 字符。

示例：计算 01 03 00 00 00 01 的 LRC：

十六进制相加：0x01 + 0x03 + 0x00 + 0x00 + 0x00 + 0x01 = 0x05。
补码：~0x05 + 1 = 0xFA + 1 = 0xFB。

Modbus ASCII 与 RTU 对比

编码方式：ASCII 使用可打印字符，RTU 使用二进制。
效率：ASCII 每字节需 2 字符传输，效率约为 RTU 的一半。
适用性：ASCII 适合调试，RTU 适合高速通信。

常见功能码

01：读取线圈状态。
02：读取离散输入。
03：读取保持寄存器。
04：读取输入寄存器。
05：写单个线圈。
06：写单个寄存器。

实现注意事项

超时处理：帧间需预留至少 1 秒间隔。
字符间隔：同一帧内字符间隔不得超过 1 秒。
大小写敏感：ASCII 字符需统一为大写或小写。

Modbus ASCII 的文本格式使其易于调试，但需注意校验和帧结构的正确性以确保通信可靠性。

Modbus ASCII 常用场景

Modbus ASCII 是一种基于 ASCII 字符的 Modbus 协议变体，适用于特定场景。以下是其常见应用领域：

工业自动化设备通信
Modbus ASCII 常用于老旧工业设备或特定厂商的设备，这些设备可能仅支持 ASCII 格式。例如 PLC（可编程逻辑控制器）、传感器和仪表之间的低速串行通信。

低带宽或高噪声环境
相比 Modbus RTU，ASCII 格式的可读性更强，适合调试和故障排查。在噪声较大的环境中，ASCII 字符的清晰分隔有助于减少误码影响。

跨平台兼容性需求
ASCII 格式易于人工解析，适合需要手动调试或与其他非标准系统交互的场景。例如与旧版 SCADA 系统或定制化硬件通信。

教学和协议学习
由于 ASCII 格式易于阅读和理解，常用于教学场景中演示 Modbus 协议的基本原理和数据帧结构。

特定行业标准要求
某些行业（如能源或水务）的遗留系统可能强制使用 Modbus ASCII，以确保与现有基础设施的兼容性。

Modbus ASCII 与 RTU 的对比

传输效率
ASCII 每个字节需要两个字符表示（十六进制），传输效率低于 RTU 的二进制格式。例如值 0x5A 在 ASCII 中需发送 5 和 A 两个字节。

错误检测机制
两者均使用 LRC（纵向冗余校验），但 ASCII 格式的校验和以可读字符传输，便于人工验证。

适用硬件
ASCII 对设备时钟同步要求较低，适合波特率不一致或存在轻微时钟偏差的串行链路。

典型应用示例

水处理系统
老旧的水泵控制单元可能仅支持 Modbus ASCII，用于读取流量计数据或控制阀门状态。

实验室设备
某些精密仪器（如色谱仪）通过 ASCII 格式输出数据，便于直接记录或解析。

电力监控
电表或继电保护装置在低速 RS-485 网络中可能采用 ASCII 模式传输能耗数据。

农业自动化
温室环境控制器通过 Modbus ASCII 与湿度传感器通信，字符格式简化了田间调试过程。

Modbus ASCII 範例 (C語言)

以下是一個簡單的 Modbus ASCII 通信範例，包含發送和接收數據的基本框架。

初始化串口通信

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>

int open_serial_port(const char *port) {
    int fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (fd == -1) {
        perror("Unable to open port");
        return -1;
    }

    struct termios options;
    tcgetattr(fd, &options);
    cfsetispeed(&options, B9600);
    cfsetospeed(&options, B9600);
    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
    options.c_cflag &= ~PARENB;
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    options.c_oflag &= ~OPOST;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    return fd;
}

計算 LRC (Longitudinal Redundancy Check)

unsigned char calculate_lrc(const unsigned char *data, int length) {
    unsigned char lrc = 0;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        lrc += data[i];
    }
    lrc = (~lrc) + 1;
    return lrc;
}

發送 Modbus ASCII 請求

void send_modbus_ascii(int fd, unsigned char slave_id, unsigned char function_code, unsigned short start_address, unsigned short quantity) {
    unsigned char frame[256];
    unsigned char ascii_frame[512];
    int frame_length = 0;

    frame[frame_length++] = slave_id;
    frame[frame_length++] = function_code;
    frame[frame_length++] = (start_address >> 8) & 0xFF;
    frame[frame_length++] = start_address & 0xFF;
    frame[frame_length++] = (quantity >> 8) & 0xFF;
    frame[frame_length++] = quantity & 0xFF;

    unsigned char lrc = calculate_lrc(frame, frame_length);
    frame[frame_length++] = lrc;

    int ascii_length = 0;
    ascii_frame[ascii_length++] = ':';
    for (int i = 0; i < frame_length; i++) {
        sprintf((char *)&ascii_frame[ascii_length], "%02X", frame[i]);
        ascii_length += 2;
    }
    ascii_frame[ascii_length++] = '\r';
    ascii_frame[ascii_length++] = '\n';
    ascii_frame[ascii_length] = '\0';

    write(fd, ascii_frame, ascii_length);
}

接收 Modbus ASCII 回應

int receive_modbus_ascii(int fd, unsigned char *response, int max_length) {
    unsigned char buffer[512];
    int bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read <= 0) {
        return -1;
    }

    if (buffer[0] != ':') {
        return -1;
    }

    int frame_length = 0;
    for (int i = 1; i < bytes_read - 2; i += 2) {
        sscanf((char *)&buffer[i], "%02X", &response[frame_length++]);
    }

    unsigned char received_lrc = response[frame_length - 1];
    unsigned char calculated_lrc = calculate_lrc(response, frame_length - 1);

    if (received_lrc != calculated_lrc) {
        return -1;
    }

    return frame_length - 1;
}

主函數範例

int main() {
    const char *port = "/dev/ttyUSB0";
    int fd = open_serial_port(port);
    if (fd < 0) {
        return -1;
    }

    unsigned char slave_id = 1;
    unsigned char function_code = 0x03;
    unsigned short start_address = 0;
    unsigned short quantity = 10;

    send_modbus_ascii(fd, slave_id, function_code, start_address, quantity);

    unsigned char response[256];
    int response_length = receive_modbus_ascii(fd, response, sizeof(response));
    if (response_length < 0) {
        printf("Error receiving response\n");
    } else {
        printf("Response received: ");
        for (int i = 0; i < response_length; i++) {
            printf("%02X ", response[i]);
        }
        printf("\n");
    }

    close(fd);
    return 0;
}