嵌入式软件工程师养成记-必备通信协议篇之modbus通信

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Modbus是什么

Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气）于1979年开发，主要用于工业自动化系统中连接电子设备（如PLC、传感器、仪表等）。它因其简单性、开放性和易用性成为工业领域应用最广泛的通信协议之一。简单来说就是一种应用层协议，它定义了发送数据的格式和应答的机制，它可以基于串口（232或者485）发送出去，也可以基于网络（TCP）发送出去。

Moubus怎么学

modbus协议很简单，发展了那么多年，已经固化了，也没有太多可以研究的，简单学习掌握一下就行，作为开发的话，使用也很简单，前辈们造了很多轮子，我们只需要用就行了，多余的时间用在更加重要的事情或者复杂的知识点就行了，C/C++的话就用libmodbus,python就用modbus_tk。做了这么多年了，我还没用到过Modbus TCP，所以掌握Modbus RTU就够用了，我个人觉得，如果使用了TCP网络了，那直接上http或者mqtt这些上层协议不是更加灵活和方便吗，还使用Modbus TCP干嘛。Modbus TCP感觉就是维护存量的设备。

Modbus特性

主从架构（Master-Slave）
- 仅允许一个主设备（Master）发起请求，多个从设备（Slave）响应。
- 从设备地址范围：1-247（地址0用于广播）。
数据传输格式
- Modbus RTU：基于二进制传输，效率高，适用于RS-485/RS-232物理层。
- Modbus ASCII：基于ASCII字符传输，可读性强，效率较低。
- Modbus TCP：基于TCP/IP协议，适用于以太网，封装为TCP报文（默认端口502）。
开放标准
- 协议规范公开，无版权限制，支持跨厂商设备互联。

Modbus协议结构

数据帧格式（以Modbus RTU为例）

地址域：1字节，标识从设备地址。
功能码：1字节，定义操作类型（读/写）。
数据域：可变长度，包含寄存器地址、数据值等。
错误校验：2字节CRC校验（RTU）或LRC校验（ASCII）。

Modbus寄存器类型

寄存器类型	地址范围	访问权限	功能说明
线圈（Coils）	0xxxx	读/写	布尔量（如开关状态）
离散输入（Inputs）	1xxxx	只读	布尔量（如传感器输入）
保持寄存器（Holding）	4xxxx	读/写	16位整数或浮点数
输入寄存器（Input）	3xxxx	只读	16位整数或浮点数

常用功能码

功能码	操作类型	说明
01	读线圈	读取多个线圈状态（0x0000-0xFFFF）
02	读离散输入	读取多个离散输入状态
03	读保持寄存器	读取多个保持寄存器的值
04	读输入寄存器	读取多个输入寄存器的值
05	写单个线圈	设置单个线圈状态（ON/OFF）
06	写单个保持寄存器	写入单个保持寄存器的值
15	写多个线圈	批量设置线圈状态
16	写多个保持寄存器	批量写入保持寄存器的值

Modbus RTU 报文速查表（主站→从站),假设从站地址为0x01。

功能码	操作类型	请求报文（Hex）	响应报文（Hex）	关键说明
01	读线圈	`01 01 00 00 00 0A BD CC`	`01 01 02 55 01 4D 8F`	读地址0x0000开始的10(0A)个线圈，响应2字节（0x55=01010101，0x01=00000001）
02	读离散输入	`01 02 00 00 00 08 B9 F9`	`01 02 01 0F 60 4D`	读地址0x0000的8个离散输入，响应1字节（0x0F=00001111）
03	读保持寄存器	`01 03 00 6B 00 03 76 87`	`01 03 06 12 34 56 78 9A BC 05 6F`	读地址0x006B开始的3个寄存器，返回3个16位值（0x1234, 0x5678, 0x9ABC）
04	读输入寄存器	`01 04 00 00 00 02 70 0B`	`01 04 04 00 FF 01 00 10 3A`	读地址0x0000的2个输入寄存器，返回2个值（0x00FF, 0x0100）
05	写单个线圈	`01 05 00 03 FF 00 7C 3A`	`01 05 00 03 FF 00 7C 3A`	写地址0x0003的线圈为ON（FF00=ON），响应与请求一致
06	写单个保持寄存器	`01 06 00 01 00 FF 98 04`	`01 06 00 01 00 FF 98 04`	写地址0x0001的保持寄存器为0x00FF，响应与请求一致
0F	写多个线圈	`01 0F 00 00 00 0A 02 55 01 8E 55`	`01 0F 00 00 00 0A 92 05`	写10个线圈（数据字节0x55=01010101，0x01=00000001）
10	写多个保持寄存器	`01 10 00 01 00 02 04 00 0A 01 2C 47 0F`	`01 10 00 01 00 02 C1 91`	写地址0x0001的2个寄存器（0x000A, 0x012C）
异常响应	（功能码+0x80）	`01 83 02 C0 F1`	`01 83 02 C0 F1`	功能码0x03读寄存器异常（错误码0x02=地址无效）