Modbus协议详解

简介：

Modbus 协议是一种通信协议，允许设备通过各种类型的介质进行通信，如串行线和以太网。它是由生产可编程逻辑控制器（PLC）的 Modicon 公司于 1979 年开发的，旨在使这些设备能够相互通信。

Modbus 协议提供了一种消息传递结构，用于以主从通信方式在智能设备之间传递消息。主设备 A 发送的 Modbus 消息会触发从设备 B 的回应。Modbus 协议规定了通信内容、信息的封装方式和消息的发送和接收顺序。

Modbus 协议简单而强大，是工业控制系统的热门选择。作为一个开放标准，任何人都可以自由地使用和修改，这使得它在整个行业中得到了广泛应用。

MODBUS对应OSI模型：

Modbus的协议格式

解释：
ADU: 应用数据单元
PDU：协议数据单元
地址域：通信的设备的ID号 1字节
功能码：执行的操作/指令 1字节
数据：发送或者接受的有效数据 252字节
差错校验（CRC）：判断数据传输是否正确 2字节

modbus协议通信框图

正确的响应：

错误的响应：

modbus协议执行流程：

modbus数据模型

如果是只需要读数据选择输入寄存器
既要读数据也要写数据选择保持寄存器

Modbus功能码详解

Modbus功能码是Modbus消息帧（报文）的重要组成部分，是Modubs协议中通信事务处理的基础，代表消息将要执行的动作。

功能码概要

简而言之，Modbus功能码占用一个字节，取值范围是1127，之所以127以上不能使用，是因为Modbus规定出现异常时，功能码+0x80（十进制128）代替异常状态，因此129（1+128）255（127+128）的取值代表异常码。

Modbus标准协议中规定了由3类Modbus功能码，分别是：

  1. 公共功能码

    1. 被明确定义的功能码
    2. 保证唯一性
    3. 由Modbus协会确认，并提供公开的文档；
    4. 可进行一致性测试
    5. 包括协议定义的功能码和保留将来使用的功能码

  2. 用户自定义功能码

    1. 有两个用户自定义功能码区域，分别是65110；

      72和100

    2. 用户自定义，不保证唯一性。

  3. 保留功能码

    保留功能码是因为历史遗留原因，某些公司的传统产品上现行使用的功能码不作为公共使用。

功能码可分为位操作和字操作两类。位操作的最小单位为一位（bit），字操作的最小单位为两个字节。

  • 位操作指令：读线圈状态功能码01，读（离散）输入状态功能码02，写单个线圈功能码06和写多个线圈功能码15.
  • 字操作指令：读保持寄存器功能码03，读输入寄存器功能码04，写单个保持寄存器功能码06，写多个保持寄存器功能码16.

01（0x01）读取线圈/离散量输出状态

功能说明

读取从设备的线圈或离散量输出的状态，即各DO的ON/OFF状态。消息帧中指定了需读取的线圈起始地址和线圈数目。需要注意的一点是，在Modbus协议规定的PDU中，规定所有线圈或寄存器地址从0开始计算。

查询报文

查询帧的消息里，定义了从设备地址为3，并读取从设备的Modbus地址0001900055（线圈地址0002000056）共计37个状态值。起始线圈地址为0x13（即十进制00019），因为线圈地址从0开始计数。

Modbus协议规定，起始地址由2个字节构成，取值范围为0x00000xFFFF；线圈数量由2个字节构成，取值范围为0x00010x07D0（即十进制1~2000）.

ASCII模式中直接按每4个位拆分为对应的字符表示。

响应报文

响应报文的数据字段中，每一个线圈占用1个位（bit），状态被表示为1=ON和0=OFF两种类型。第1个数据字节的LSB（最低有效位）标识查询报文中的起始地址线圈的状态值，其他线圈依次类推，一直到这个字节的MSB（最高有效位）位置，并在后续字节中按照同样的方式（由低到高）排列。

一个字节可以表示8个线圈的状态，如果最后的数据字节中不能填满8个线圈的状态，则由0填充。对应于查询报文中需要读取37个线圈的状态，则共需要5个字节保存状态值。

02（0x02）读取离散量输入值

功能说明

该功能码用于读取从设备的离散输入即DI的ON/OFF状态。消息帧中制定了需读取的离散输入寄存器起始地址和数目，可读取1~2000个连续的离散量输入状态。如果从设备接受主设备的请求则回复功能码02，并返回离散量输入各离散量的当前状态。如果返回的离散输入数量的个数不是8的整数倍，将用0填充最后数据字节的剩余位。

03（0x03）读取保持寄存器值

功能说明

用于读取从设备保持寄存器的内容，不支持广播模式。消息帧中指定了需读取的保持寄存器的起始地址和数目。而保持寄存器中各地址的具体内容和意义，则由设备开发者自行规定。

查询报文

在查询报文中，必须指定保持寄存器的开始地址和需读取的寄存器数量。起始位置由2个字节构成，取值范围为0x00000xFFFF；寄存器数量由2个字节构成，取值范围为0x00010x007D（即十进制1~255），即最多可以连续读取125个寄存器。

有一点特别需要注意，Modbus的保持寄存器和输入寄存器是以字（Word）为基本单位的（1Word=2byte），所以，如果读取保持寄存器地址为40001开始的一个16位（bit）的无符号数，那么返回2个字节（byte），并可以从40002开始读取下一个16位的无符号数。如果需读取寄存器地址40001开始的是一个32位浮点数，则需要返回4个字节，即必须连续读取40001和40002的内容，而且下一个32位浮点数必须从40003开始读取。对于浮点数（或者32位的整数）而言，连续读取的两个寄存器之间存在字节序和大小端的问题，这一点在开发时必须引起注意。