modbus基础知识

拧螺丝专业户

已于 2025-02-13 15:35:37 修改

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文章标签：物联网 modbus

于 2025-02-13 15:31:56 首次发布

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Modbus基础知识

什么是Modbus?

顾名思义，它是一个Bus，即总线协议。比如串口协议、IIC协议、SPI都是通信协议。你接触到这种协议，相信你所处的行业是工业电子方面或者你的产品用于工业。

好了，现在知道了大概知道了，这是一个总线协议，是一个Mod什么的公司发表的一个通信协议。那为什么要用这个呢? 答案就是他们都在用，你就得学，啊哈哈!

正经的说，它被工业领域所接受的原因是它具备一下三个优点

公开发表并且无版权要求
易于部署和维护
对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制

简单的概括,就是免费+简单+方便修改!

归纳：Modbus就是一种用在工业上的简单协议!

Modbus用来干什么?

用两个字概括：通信

是的，所有协议都是用来通信的，协议的制定就是让两个人根据这个协议看懂传来的一组数据。比如我给你一个6666，你要是没有协议，就只知道这是6666，而有了协议，你就知道了这是在问我是不是大佬?当然，也可以表示其他意思，具体什么意思就看你协议怎么制定！

归纳：Modbus用来通信喽，是个人都知道！

Modbus的内容是什么?

大致分为以下几种:

Modbus-RTU
Modbus-ASCII
Modbus-TCP

以上三种协议，一个设备只会有一种协议，如果你的设备使用的是Modbus-RTU，只需查看以下对应部分，一般来说大部分的设备都是Modbus-RTU协议的。

通讯过程

Modbus是主从方式通信，也就是说，不能同步进行通信，总线上每次只有一个数据进行传输，即主机发送，从机应答，主机不发送，总线上就没有数据通信。(所以说，这也算是一个缺点了)

举例1: 一个总线上有一个主机，多个从机，主机查询其中一个从机，首先你必须得这些从机分配地址(这样才能知道哪个从机，而且每个地址必须唯一)，分配好地址后，主机要查询，然后数据下发(数据内容下面会介绍)，从机得到主机发送的数据,然后对应地址的从机回复，主机得到从机数据，这样就是一个主机到从机的通信过程，是不是很简单呢

举例2: 就像打电话，你得知道对方的电话(这就是唯一地址)，然后你打电话过去，相当于主机查找从机，然后对方接通电话，给你回复(返回数据)，正常是这样的。

如果这时候，对方正在打电话，你应该听到的是"sorry,you…"这一串英文，说明对方忙，但是Modbus总线不能判断对方是否忙，也没有对应的仲裁机制，好了你又知道了一个缺点了！但是，你可以用软件的办法进行适当的处理数据！

Modbus-RTU协议

设备必须要有RTU协议！这是Modbus协议上规定的，且默认模式必须是RTU，ASCII作为选项。（也就是说，一般的设备只有RTU这个协议，ASCII一般很少）所以说，一般学习Modbus协议，只需要了解RTU的协议，ASCII作为学习的了解就足够了。

1、帧结构

帧结构 = 地址 + 功能码+ 数据 + 校验

地址: 占用一个字节，范围0-255，其中有效范围是1-247，其他有特殊用途，比如255是广播地址(广播地址就是应答所有地址，正常的需要两个设备的地址一样才能进行查询和回复)。
功能码：占用一个字节，功能码的意义就是，知道这个指令是干啥的，比如你可以查询从机的数据，也可以修改数据，所以不同功能码对应不同功能。
数据：根据功能码不同，有不同结构，在下面的实例中有说明。
校验：为了保证数据不错误，增加这个，然后再把前面的数据进行计算看数据是否一致，如果一致，就说明这帧数据是正确的，我再回复；如果不一样，说明你这个数据在传输的时候出了问题，数据不对的，所以就抛弃了。

2、实战

只谈理论大家可能不太明白，下面举一个例子。Modbus-RTU协议一般我们用的最多功能码就是03和06，大部分都是用modbus来查询传感器上的信息用03查询功能码，如果需要修改传感器寄存器的值就用06修改功能码，其他的不需要过多关注，学多了你也记不住，哈哈哈！

2.1 查询功能码0x03

功能描述：现在我是主机，我要查询从机地址为01的数据。我现在用电脑的modbus调试助手来代替主机，stm32来代替从机。

在这里插入图片描述

我需要发送以下数据：

主机发送: 01 03 00 00 00 01 84 0A
从机回复: 01 03 02 19 98 B2 7E

那么这一组数据是什么意思呢?

从上面的结构图中，可以看出，主机发送的数据大致是 地址+功能码+数据+校验；

所以解析如下:

发送数据解析

在这里插入图片描述

01-地址，也就是你传感器的地址
03-功功能码，03代表查询功能，查询传感器的数据
00 00-代表查询的起始寄存器地址.说明从0x0000开始查询。这里需要说明以下，Modbus把数据存放在寄存器中，通过查询寄存器来得到不同变量的值，一个寄存器地址对应2字节数据
00 01-代表查询了一个寄存器.结合前面的00 00,意思就是查询从0开始的1个寄存器值
84 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到84前面为止;

回复数据解析

在这里插入图片描述

01-地址，也就是你传感器的地址
03-功功能码，03代表查询功能，查询传感器的数据。这里要注意的是注意发给从机的功能码是啥，从机就要回复同样的功能码，如果不一样说明这一帧数据有错误
02-代表后面数据的字节数,因为上面说到,一个寄存器有2个字节,所以后面的字节数肯定是2*查询的寄存器个数;
19 98-寄存器的值是19 98,结合发送的数据看出,01这个寄存器的值为19 98
B2 7E-循环冗余校验

好了，是不是很简单呢?基本流程就是：

发送：从机的地址+我要干嘛的功能码+我要查的寄存器的地址+我要查的寄存器地址的个数+校验码
回复：从机的地址+主机发我的功能码+要发送给主机数据的字节数+数据+校验码

就是这么简单！

2.2 修改功能码0x06

如果我要修改从机的数据呢?那么这个协议有吗？当然有，那就是0x06

1、修改—0x06功能码

主机发送: 01 06 00 00 00 01 48 0A
从机回复: 01 06 00 00 00 01 48 0A

诶，看上去怎么一样的啊?是不是错了?答案是这是正确的；

发送数据解析

在这里插入图片描述

01-主机要查询的从机地址
06-功能码,06代表修改单个寄存器功能,修改有些不同,有修改一个寄存器和修改多个寄存器;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 01-代表修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到48前面为止;

回复数据解析

在这里插入图片描述

01-从机返回给主机自己的地址,说明这就是主机查的从机
06-功能码,代表修改单个寄存器功能，主机发啥功能码，从机就必须回什么功能码;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 01-代表修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到48前面为止;

如果回复的一样，说明这个数据是修改成功的；如果功能码不是06，而是别的，说明从机回复的数据有误，主机可以做相应的处理。

2、修改-0x10功能码

如果我要修改多个寄存器，难道用06发好几次，这样不会太傻了吗？所以Modbus RTU协议包含了修改连续多个寄存器的方法，就是功能码为0x10；这个大家自己去查询，基本和上面的数据格式差不多。

归纳

Modbus-RTU协议只需要看懂功能码0x03、0x06、0x10这三个基本的就已经足够了，分别回想下其数据域部分：

0x03—主机需要发送起始地址+寄存器数量，从机回复总字节数+数据；

0x06—主机发送起始地址+数据内容（因为你只需要修改一个，所以起始地址就是所要修改的地址），从机返回起始地址+数据内容（发现居然一样！）

0x10—主机发送起始地址+寄存器个数+总字节数+数据，从机返回起始地址+寄存器数量

Modbus-ACSII协议

一般只需要了解RTU协议，因为前面有说过，必须要有RTU协议的，所以只需要了解了RTU协议，就可以读出设备信息了，至于ACSII协议，做个大概了解即可。

1.帧形式

对于RTU协议，比如RTU发送一个字节：0x12；ASCII协议则需要发送2个字节：一个字节代表ASCII码1，一个代表ASCII码2，即0x31和0x32，才能代表0x12。所以，ASCII协议的效率比较低。但是ASCII更符合串口打印查看，因为串口发送的数据一般都是文本模式(ASCII)。

比如用RTU方式，也叫16进制方式，要发0x03数据，RTU方式就发送00000011。用ASCII发送0x03，就要发送0的ASCII码0x30和3的ASCII码0x33，对应到2进制也就是发送00110000和00110011。很显然RTU方式只需要发送8位就可以了(加上起始位和停止位就是10位数据)。那么ASCII码方式发送就需要两个8位(每个8位分别加上起始位和停止位就是20位数据)。也就是说ASCII码发送数据量是RTU方式的2倍，所以ASCII码效率更低。

那么ASCII码效率更低，数据发送量大为啥还采用这种方式呢？

因为假如你要发送数据0x03，采用RTU方式(16进制发送)，计算机中端设备接收到0x03后是不可以显示的，就是不能把0x03打印出来。因为可见字符的ASCII码是从32—126，不是这个范围以外的显示屏上都看不到，会出现乱码，如果是串口助手的话就会显示□□□□。如果采用ASCII方式(文本模式发送)，就不会出现不可显示和乱码的情况，因为文本模式发送0x03，就是发送ASCII码0和ASCII码3，也就是0x30和0x33，是可以正常显示在计算机中端的。所以现在知道为什么还要使用ASCII效率比较低的方式发送了吧，只是为了方便调试显示而已。

在这里插入图片描述

从上面的图中，看出：

1）比RTU多了起始段:，多个结束符CR，LF

2）地址和功能都变成了2个字节；

3）数据部分更加繁琐，但是更符合人们的查看；

2.归纳

由于Modbus-RTU和Modbus-ACSII都是基于232和485链路的，所以其通讯模式半双工，一般是主机和从机的模式。其差别就是其字节的格式不同，一个是16进制的数据，一个是ASCII数据。ASCII多了帧头和帧尾，也就是说可以有用这个头尾判断一帧字节来判断是否结束；而RTU没有帧头和帧尾，所以协议里明确两帧之间要大于3.5个字节时间间隔，作为一帧结束的判断依据。对于RS485来说，总线上一般允许最大32个设备。

Modbus-TCP协议

1、 Modbus TCP概述

Modbus由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。1996年施耐德公司推出基于以太网TCP/IP的Modbus协议：ModbusTCP。

Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。

标准的Modbus协议物理层接口有RS232、RS422、RS485和以太网接口，采用master/slave方式通信。

2、 Modbus TCP数据帧

ModbusTCP的数据帧可分为两部分：MBAP+PDU

2.1 报文头MBAP

MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

事务处理标识	协议标识	长度	单元标识符
2字节	2字节	2字节	1字节

报文头各个字段解释：

内容	解释
事务处理标识	可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符	00 00表示ModbusTCP协议。
长度	表示接下来的数据长度，单位为字节。
单元标识符	可以理解为设备地址。

2.2 帧结构PDU

PDU由功能码+数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。

功能码

Modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器。

对象	含义
线圈	PLC的输出位，开关量，在Modbus中可读可写
离散量	PLC的输入位，开关量，在Modbus中只读
输入寄存器	PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在Modbus中只读
保持寄存器	PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在Modbus中可读可写

根据对象的不同，Modbus的功能码有：

功能码	含义
0x01	读线圈
0x05	写单个线圈
0x0F	写多个线圈
0x02	读离散量输入
0x04	读输入寄存器
0x03	读保持寄存器
0x06	写单个保持寄存器
0x10	写多个保持寄存器