Modbus 101：从入门到 Python 实战指南

在工业自动化和物联网（IoT）的世界里，有一种协议就像是“普通话”一样普及。它诞生于 1979 年，比互联网还要早，但至今仍运行在数以亿计的设备上——从巨大的工厂 PLC 到小巧的温湿度传感器。

它就是 Modbus。

如果你是一名工程师、开发者，或者仅仅是对连接物理世界感兴趣的技术爱好者，理解 Modbus 都是一项必备技能。这篇博文将带你快速了解 Modbus 的核心概念，并教你如何使用 Python 这种现代语言来驾驭这个古老的协议。

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第一部分：Modbus 的世界观

Modbus 之所以长盛不衰，秘诀在于它的简单性。在深入代码之前，我们需要理解它的两个核心概念。

1. 课堂里的对话：主从架构 (Master/Slave)

Modbus 网络就像一个纪律严明的课堂：

• Master (主站/客户端): 就像老师。整个网络中只有一个（在标准串行网络中）。只有“老师”有权发起提问，比如“现在的温度是多少？”或“把那个阀门打开”。

• Slave (从站/服务器): 就像学生。网络中可以有多个（最多 247 个）。“学生”从不主动说话，只有在被“老师”点名（通过唯一的 Slave ID）时，才会回答问题或执行命令。

记住： 如果你的电脑想去读一个传感器的数据，你的电脑就是 Master，传感器就是 Slave。

2. 数据的抽屉：寄存器模型

Modbus 设备到底是怎么存储数据的？你可以把它想象成一个有四个大抽屉的柜子。你想读什么样的数据，就去拉对应的抽屉。

抽屉名称 (数据类型)	特点	数据单位	典型用途
Coils (线圈)	可读/可写	1 Bit (开/关)	控制继电器、指示灯的开关
Discrete Inputs (离散输入)	只读	1 Bit (开/关)	读取按钮是否按下、门磁状态
Input Registers (输入寄存器)	只读	16-bit 数值	读取温度传感器、模拟量数据
Holding Registers (保持寄存器)	可读/可写	16-bit 数值	最常用！ 设定参数、读取关键数据

在实际应用中，保持寄存器 (Holding Registers) 是最常打交道的，因为它既能读又能写，很多设备厂家为了省事，把所有重要数据都塞在这个区域。

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第二部分：Modbus 的两种“方言”

Modbus 协议本身定义了数据结构，但它需要搭载在物理媒介上传输。最常见的两种传输方式（方言）是：

1. Modbus RTU (经典版):

   • 跑在 RS-485 或 RS-232 串口线上。

   • 数据是紧凑的二进制格式。

   • 关键： 通信双方的波特率（Baudrate）、数据位、校验位必须完全一致才能对话。

2. Modbus TCP (现代版):

   • 跑在标准的 以太网（网线或 WiFi）上。

   • 不需要复杂的校验（TCP/IP 协议栈帮你做了）。

   • 关键： 通过 IP 地址和端口号（默认 502）连接。

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第三部分：Python 实战 (使用 pymodbus)

理论听起来很枯燥，让我们动手吧！

在 Python 世界里，处理 Modbus 最流行、最强大的库是 pymodbus。它既能让你当 Master，也能让你当 Slave，并且同时支持 RTU 和 TCP。

环境准备

首先，安装必要的库。如果你要用 RTU（串口），还需要安装 pyserial。

Bash

pip install pymodbus pyserial

注意：以下示例基于 pymodbus v3.x 版本，这是目前推荐的同步客户端写法。

场景一：使用 Python 通过 Modbus TCP 读取数据

假设你有一个 Modbus TCP 设备（比如一个以太网温湿度变送器，或者你的电脑上运行的一个 Modbus Simulator 模拟器）。

• 设备 IP: 192.168.1.100

• 端口: 502

• Slave ID: 1

• 目标：读取从地址 40001 开始的 2 个保持寄存器的数据。

Python

from pymodbus.client import ModbusTcpClient
from pymodbus.exceptions import ModbusException
import logging

# 配置日志，方便调试（可选）
logging.basicConfig()
log = logging.getLogger()
log.setLevel(logging.INFO)

# --- 配置连接参数 ---
SERVER_IP = '192.168.1.100'  # 你的设备IP
SERVER_PORT = 502            # 默认Modbus TCP端口
SLAVE_ID = 1                 # 目标从站ID
REGISTER_ADDRESS = 0         # 起始寄存器地址 (对应 40001)
COUNT = 2                    # 要读取的寄存器数量

# 1. 创建客户端实例
client = ModbusTcpClient(SERVER_IP, port=SERVER_PORT)

try:
    # 2. 尝试连接
    print(f"正在连接到 {SERVER_IP}...")
    connection = client.connect()
    if not connection:
        print("连接失败！请检查IP和端口。")
        exit()
    print("连接成功！")

    # 3. 读取数据 (读取保持寄存器 read_holding_registers)
    # 注意：address=0 通常对应文档中的 40001 寄存器
    print(f"开始读取从站 {SLAVE_ID} 的寄存器 {REGISTER_ADDRESS}...")
    result = client.read_holding_registers(address=REGISTER_ADDRESS, count=COUNT, slave=SLAVE_ID)

    # 4. 处理结果
    if result.isError():
        # 处理 Modbus 协议层面的错误（如非法地址、从站忙等）
        print(f"读取错误: {result}")
    else:
        # 成功获取数据，数据保存在 .registers 列表中
        data = result.registers
        print("-" * 20)
        print(f"读取成功！原始数据 (List): {data}")
        print(f"寄存器 40001 的值: {data[0]}")
        print(f"寄存器 40002 的值: {data[1]}")
        # 假设第一个寄存器是温度，且放大了10倍传输
        temperature = data[0] / 10.0
        print(f"换算后的温度: {temperature} °C")
        print("-" * 20)

except ModbusException as e:
    print(f"发生程序异常: {e}")
finally:
    # 5. 断开连接，释放资源
    client.close()
    print("连接已关闭。")

场景二：使用 Python 通过 Modbus RTU (串口) 读取数据

假设你使用一个 USB 转 RS-485 转换器连接了一个传感器。

• 串口号: COM3 (Windows) 或 /dev/ttyUSB0 (Linux)

• 波特率: 9600

• Slave ID: 1

Python

from pymodbus.client import ModbusSerialClient
from pymodbus.exceptions import ModbusException
import time

# --- 配置串口参数 ---
# 这里的参数必须与你的设备说明书完全一致！
SERIAL_PORT = 'COM3'   # Windows 示例，Linux可能是 '/dev/ttyUSB0'
BAUDRATE = 9600        # 波特率
PARITY = 'N'           # 校验位: 'N'-无, 'E'-偶, 'O'-奇
STOPBITS = 1           # 停止位
BYTESIZE = 8           # 数据位
SLAVE_ID = 1

# 1. 创建 RTU 客户端实例
# 指定通过 rtu 模式，使用串口进行通信
client = ModbusSerialClient(
    port=SERIAL_PORT,
    baudrate=BAUDRATE,
    parity=PARITY,
    stopbits=STOPBITS,
    bytesize=BYTESIZE,
    timeout=1 # 设置超时时间
)

try:
    # 2. 连接串口
    print(f"正在打开串口 {SERIAL_PORT}...")
    if not client.connect():
        print(f"无法打开串口 {SERIAL_PORT}，请检查占用或配置。")
        exit()
    print("串口已打开。")

    # 简单的循环读取示例
    for i in range(3):
        print(f"\n--- 第 {i+1} 次读取 ---")
        # 读取保持寄存器，地址 0，读取 1 个
        result = client.read_holding_registers(address=0, count=1, slave=SLAVE_ID)

        if result.isError():
            print(f"读取失败: {result}")
        else:
            print(f"读取成功，寄存器值: {result.registers[0]}")
        
        # RTU 通信建议在很多次请求间稍作延时
        time.sleep(1)

except ModbusException as e:
    print(f"发生异常: {e}")
finally:
    client.close()
    print("\n串口已关闭。")

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总结与避坑指南

Modbus 虽然简单，但刚上手时总会遇到一些“玄学”问题。以下是新手最常踩的坑：

1. 地址偏移之谜 (Offset by 1): 这是最令人困惑的。设备文档说数据在寄存器 40001，但在代码里你通常需要填写地址 0。如果你读到的数据对不上，试着把代码里的地址 +1 或 -1 试试。

2. RTU 接线与参数: RS-485 的 A 和 B 线千万别接反了。如果通信不通，先检查波特率、校验位是否与设备说明书完全一致。

3. 字节序 (Endianness) 陷阱: Modbus 标准传输的是 16 位数据。如果要传输 32 位浮点数（比如精确的温度值），需要用两个寄存器拼起来。这时，高低位的顺序（大端/小端）非常关键，顺序搞反了，读出来的数字会非常离谱。

掌握了 Modbus，你就掌握了打开工业数据大门的钥匙。希望这篇教程能帮你迈出第一步！