Modbus协议与单片机通信系统实现

1. Modbus协议概述

1.1 协议历史与发展

Modbus协议诞生于1979年，由Modicon公司（现施耐德电气旗下）开发，最初是为了实现工业环境中可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。它是一种基于串行通信的协议，简单易用，能够满足工业现场设备之间的数据传输需求。随着工业自动化的发展，Modbus协议不断演进，从最初的串行通信扩展到以太网通信，形成了多种协议类型，广泛应用于工业自动化控制系统中。据相关统计，Modbus协议在全球工业自动化领域的应用占比超过30%，成为工业通信领域的重要标准之一。

1.2 协议类型（RTU、ASCII、TCP）

1.2.1 RTU（Remote Terminal Unit）

• 特点：RTU模式是一种紧凑的二进制编码协议，数据以二进制形式传输，具有较高的通信效率。它适用于串行通信，通常使用RS-232、RS-485等物理接口。

• 帧结构：RTU帧由设备地址、功能码、数据区、校验码组成。设备地址用于识别通信设备；功能码定义了通信操作类型；数据区包含实际传输的数据；校验码用于检测通信错误。例如，在一个典型的RTU帧中，设备地址为0x01，功能码为0x03（读取保持寄存器），数据区包含寄存器的起始地址和数量，校验码通过CRC算法计算得出。

• 应用场景：RTU模式广泛应用于工业现场设备之间的通信，如PLC与传感器、执行器之间的数据交互。由于其通信效率高，适合在串行通信环境中使用，尤其在长距离通信和多设备通信场景中表现出色。

1.2.2 ASCII

• 特点：ASCII模式是一种基于文本的协议，数据以ASCII字符形式传输，易于阅读和调试。它同样适用于串行通信，但通信效率相对RTU模式较低。

• 帧结构：ASCII帧由冒号（:）开始，以回车换行符（CR/LF）结束。帧内容包括设备地址、功能码、数据区和校验码。设备地址和功能码与RTU模式类似，数据区以ASCII字符表示，校验码采用LRC（纵向冗余校验）算法。例如，一个ASCII帧可能表示为":01030000000275\r\n"，其中"01"表示设备地址，"03"表示功能码，"0000"表示寄存器起始地址，"0002"表示寄存器数量，"75"为校验码。

• 应用场景：ASCII模式主要用于调试和开发阶段，便于工程师通过串口调试工具查看和分析通信数据。它也适用于一些对通信速度要求不高的应用场景，如小型工业设备之间的通信。

1.2.3 TCP

• 特点：Modbus TCP是基于以太网的Modbus协议版本，使用TCP/IP协议栈进行通信。它继承了Modbus协议的简单性和可靠性，同时利用以太网的高速通信能力，适用于工业自动化网络中的设备通信。

• 帧结构：Modbus TCP帧在标准Modbus帧的基础上增加了TCP头，包括事务标识符、协议标识符、长度和单元标识符。事务标识符用于区分不同的通信事务；协议标识符固定为0x0000，表示Modbus协议；长度字段指示后续数据的字节长度；单元标识符用于识别通信设备。例如，一个Modbus TCP帧的事务标识符为0x0001，协议标识符为0x0000，长度为0x0006，单元标识符为0x01，后续为标准Modbus帧内容。

• 应用场景：Modbus TCP广泛应用于工业自动化控制系统中的设备联网，如PLC、HMI（人机界面）、智能仪表等设备之间的通信。它能够实现高速、可靠的数据传输，支持大规模设备的网络化管理，满足现代工业自动化对通信效率和可靠性的要求。# 2. Modbus通信模型

2.1 主从通信模式

Modbus协议采用主从通信模式，这种模式在工业自动化控制系统中具有显著的优势和广泛的应用。

• 主设备角色：主设备是通信的发起者，负责向从设备发送请求命令。它可以是PLC、HMI、计算机等设备。主设备能够根据实际需求，灵活地向从设备请求数据或发送控制指令。例如，在一个工业监测系统中，主设备可以定期向从设备发送读取数据的请求，以获取传感器的实时测量值。

• 从设备角色：从设备是通信的响应者，它接收主设备的请求，并根据请求内容进行相应的操作，如读取数据或执行控制命令，然后将结果返回给主设备。从设备通常是传感器、执行器、智能仪表等现场设备。以一个温度传感器为例，当主设备请求读取温度数据时，从设备会将测量到的温度值发送给主设备。

• 通信过程：主设备按照Modbus协议规定的帧格式构造请求帧，包括设备地址、功能码、数据区等信息。从设备接收到请求帧后，首先检查设备地址是否与自身匹配，若匹配则解析功能码和数据区，执行相应的操作，并构造响应帧返回给主设备。如果从设备无法响应请求，如设备故障或请求功能码不支持，它会发送一个异常响应帧，告知主设备错误原因。例如，当主设备请求读取一个不存在的寄存器时，从设备会返回一个“非法数据地址”的异常响应。

• 多主设备通信：在某些复杂的应用场景中，可能存在多个主设备与同一从设备通信的情况。为了保证通信的正常进行，需要采用一定的通信仲裁机制。例如，可以通过时间戳或优先级等方式来确定哪个主设备的请求优先处理。这种多主设备通信模式在分布式控制系统中较为常见，能够实现多个控制中心对现场设备的协同控制。

2.2 数据模型（线圈、寄存器）

Modbus协议定义了两种主要的数据模型：线圈和寄存器，它们是工业自动化控制系统中数据交互的基础。

• 线圈（Coils）

• • 定义：线圈是一种单个的二进制位，用于表示设备的状态或控制信号，如开关状态、报警信号等。线圈的状态只有两种：0（关闭）和1（打开）。例如，在一个电机控制系统中，一个线圈可以用来表示电机的启动状态，当线圈状态为1时，表示电机启动；当线圈状态为0时，表示电机停止。

  • 功能码：Modbus协议为线圈操作定义了多个功能码。功能码0x01用于读取单个线圈状态，功能码0x05用于写单个线圈状态。例如，主设备可以通过发送功能码0x01的请求帧，读取从设备中某个线圈的状态；通过发送功能码0x05的请求帧，将某个线圈的状态设置为1或0。这些功能码使得主设备能够灵活地获取和控制从设备的线圈状态。

  • 应用场景：线圈广泛应用于各种工业控制场景，如电机控制、阀门控制、报警信号处理等。通过线圈的读写操作，主设备可以实现对从设备的远程监控和控制。例如，在一个水处理系统中，主设备可以通过读取线圈状态来判断水泵是否正常运行，通过写线圈状态来控制水泵的启动和停止。

• 寄存器（Registers）