【Iot】一文搞懂Modbus通讯协议。Modbus分类：Modbus ASCII、Modbus RTU、Modbus TCP/IP都是什么？

一文搞懂Modbus通讯协议

一、什么是 Modbus 协议
二、Modbus有什么用
三、Modbus协议分类详解
总结
进制转换

一、什么是 Modbus 协议

先了解一下几个基本的知识点：

协议：是进行数据交换和解释信息时所要遵守的一套规则和约定，或者说是通信双方共同遵守的一组规则或标准。（下图是书上的截图）
信息系统项目管理师-第四版38页

串行通信：串行通信是一种计算机通信方式，它在主机与外设以及主机之间的数据传输中起着重要作用。串行通信是指数据按位依次传输的通信方式，每位数据占据固定的时间长度，并使用少数几条通信线路完成系统间的信息交换。在串行通信中，数据被分解为一系列单独的比特（位），并按顺序通过传输线进行传输。每个比特在传输线上占用固定的时间长度，这样接收端就可以按照相同的时序接收并重组这些数据位，从而回复出原始数据。~~（这部分详解在我之前的文章有，可以直接在我主页搜索关键字串口）*~~ *

Modbus协议是一种串行通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气Schneider Electric）于1979年发表，旨在实现可编辑逻辑控制器（PLC）之间的通信。
如今，它已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且是工业电子设备之间常用的连接方式。
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，既主机发送，从机应答，主机不发送，总线上就没有数据通信。（半双工通信）
一个总线上只能有一个主机，可以有若干个从机。

Modbus是一种串行通信协议，一种应用层报文传输协议（开源协议）

二、Modbus有什么用

Modbus协议广泛应用于工业控制和自动化领域，可以连接各种设备和控制器，用于实现数据交换、监控和控制。具体包括：

工业自动化控制：Modbus被广泛应用于工业自动化控制系统中，用于连接PLC、传感器、执行器等设备，实现监控和控制。Modbus 通常通过 RS-485 总线进行串行通信。
智能家居：Modbus协议可以应用于智能家居系统中，用于连接各种传感器和执行器，实现远程控制和检测
能源监控：Modbus协议可以用于能源监控系统，连接电表、燃气表、水表等设备，实现能源数据的采集和分析。
环境检测：Modbus协议可以应用于环境检监测系统中，连接各种传感器和仪器，监测环境参数如温度、湿度、气压等。
智能交通：Modbus可以应用于智能交通系统中，用于连接交通控制设备、车辆检测器等，实现交通信号的控制和管理

总的来说，就是约定了一套设备之间数据交互的规则，用于各种设备之间进行通信。

三、Modbus协议分类详解

modbus分为以下三种协议：

Modbus-RTU (通常通过串行通信（如 RS-232 或 RS-485）进行传输，采用半双工模式)
Modbus-TCP （通过以太网进行传输，采用全双工模式）
Modbus-ASCII ( 通常通过串行通信（如 RS-232 或 RS-485）进行传输，采用半双工模式)

以上三种协议，比较常用的 Modbus-RTU 协议，其次是 Modbus-TCP 协议。

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Modbus 是OSI模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。

Modbus应用层协议和服务规范主要包含两类：

一类是串行链路上的Modbus RTU 和 Modbus ASCII（Modbus 串行链路取决于TIA/EIA 标准：232-F 和 485-A），
另一类是TCP/IP 上的Modbus TCP（Modbus TCP/IP 取决于IETF 标准：RFC793 和 RFC791 有关）。

Modbus通信栈示意图如下所示：
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1. Modbus-RTU

Modbus-RTU是设备之间通信的常见协议，使用二进制编码和CRC错误校验，Modbus-RTU设备通常使用三种接口进行通信。
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RTU 代表“远程终端单元”（Remote Terminal Unit），是一种用于数据采集和控制的设备。Modbus-RTU 是 Modbus 协议在串行通信（如 RS-485）中的实现方式。

数据帧结构

Modbus-RTU 的数据帧由以下几个部分组成：

地址域（Slave Address）: 1 字节，标识从站（Slave）的地址。地址范围通常是 1 到 247，其中 0 是广播地址。每个从设备在总线上都有唯一的地址，主设备通过这个地址来选择与哪个从设备通信。（地址是以十进制形式进行传输和处理的）
功能码（Function Code）: 1 字节，指示要执行的操作类型，例如读取寄存器、写入寄存器等。
数据域（Data）: 1N字节，可变长度，包含与功能码相关的数据。例如，读取寄存器时，数据域包含要读取的寄存器地址和数量。对于写请求，数据域包含要写入的值。
校验域（CRC）: 2 字节，循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check）用于检测数据传输中的错误。CRC 是根据前面的字节计算得出的。发送方计算CRC并附加到消息末尾，接收方收到消息后重新计算CRC并与接收到的CRC进行比较，以验证数据是否正确无误。

常见功能码

Modbus-RTU 定义了多种功能码，用于执行不同的操作。以下是一些常见的功能码：

0x01: 读取线圈状态（Read Coil Status）
0x02: 读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）
0x03: 读取保持寄存器（Read Holding Registers）
0x04: 读取输入寄存器（Read Input Registers）
0x05: 写单个线圈（Write Single Coil）
0x06: 写单个寄存器（Write Single Register）
0x10: 写多个寄存器（Write Multiple Registers）

数据传输示例

假设我们有一个主设备（如PLC或计算机）和一个从设备（如传感器或控制器），主设备想要读取从设备中保持寄存器（Holding Registers）的值。我们将使用功能码 0x03（读取保持寄存器）来实现这一操作。
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请求帧示例（十六进制表示）：

01 03 00 00 00 02 B8 0A

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响应帧示例（十六进制表示）：

01 03 04 12 34 56 78 48 4D

01：地址域（1 字节）: 0x01，从设备地址
03：功能码（1 字节）: 0x03，读取保持寄存器
04：字节数（1 字节）: 0x04，返回4个字节的数据，因为读取了2个寄存器，每个寄存器2字节
12 34：数据域：第一个寄存器的值（0x1234）
56 78：数据域：第二个寄存器的值（0x5678）
48 4D：CRC 校验（2 字节）：（根据前面的字节计算得出）

2. Modbus-TCP

Modbus使用以太网进行传输时，设备之间使用网线进行连接。与传统的 Modbus-RTU（串行通信）不同，Modbus-TCP 是无连接的，这意味着每次通信都是独立的，不需要建立和断开连接。

Modbus-TCP 使用 TCP/IP 协议栈进行通信，允许设备通过局域网（LAN）、广域网（WAN）甚至互联网进行数据交换。

全双工通信：与 Modbus-RTU 的半双工通信不同，Modbus-TCP 支持全双工通信，即主设备和从设备可以在同一时间发送和接收数据。这提高了通信效率，特别是在高带宽网络中。

端口号：Modbus-TCP 使用 TCP 端口 502 进行通信。

数据帧结构：Modbus-TCP 的数据帧结构与传统的 Modbus 协议类似，但增加了一些字段来适应 TCP/IP 协议栈。

功能码：Modbus-TCP 支持与 Modbus-RTU 相同的功能码，用于执行各种操作。

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3. Modbus-ASCII

Modbus-ASCII 是一种基于文本的通信协议，用于在工业自动化系统中进行设备之间的通信。它是 Modbus 协议的一种变体，主要用于串行通信（如 RS-232 或 RS-485）。Modbus-ASCII 协议的设计目的是在低速通信链路上提供可靠的数据传输，尤其是在噪声环境下。较少使用，主要用于早期或特殊应用。

总结

在这里插入图片描述

Modbus-RTU 适用于需要高实时性和低成本的短距离串行通信场景，广泛应用于工业自动化领域。
Modbus-TCP 适用于需要长距离通信和网络扩展的场景，支持以太网通信，适用于复杂的工业网络和远程监控系统。
Modbus-ASCII 适用于简单应用和调试场景，传输效率较低，但易于理解和实现。

进制转换

在计算机科学中，字节（Byte）是一个基本的数据单位，通常由 8 位（Bit）组成。无论是十六进制还是二进制，一个字节都表示相同数量的数据，只是表示方式不同。

位是计算机信息的最小单位，它可以是0或1，代表两种状态。
一个位只能表示两个不同的值，即二进制系统中的“0”和“1”。
字节通常由8个位组成，因此它可以表示2^8 = 256种不同的值。
例如，一个字节可以表示从0到255的整数，或者是一个ASCII字符等。
二进制（Binary）是一种基于2的数值系统，只使用数字0和1。每个二进制数字称为一位（bit），而一串二进制数字可以组成一个更大的单位，比如一个字节（8 bits）。
十六进制（Hexadecimal）：是一种基于16的数值系统，它使用0-9的数字和A-F的字母来表示16种可能的值。每个十六进制数字可以表示4个二进制位（称为一个“半字节”或“nibble”），所以两个十六进制数字就可以表示一个字节。

在计算机中，所有的数据最终都会被转换成二进制格式进行处理:

1 Byte = 8 Bit  // 1 字节等于 8 位

二进制: 1010 1100
十六进制: A    C


二进制:   0011 1111
十六进制: 3    F

在二进制中，一个字节由 8 位组成，每位可以是 0 或 1。
在十六进制中，一个字节由 2 个十六进制数字表示，每个十六进制数字对应 4 位二进制数。

示例：
假设在 Modbus-RTU 中，一个寄存器的值为 0x1234（十六进制）：

十六进制: 12 34
二进制:   00010010 00110100

在传输过程中，这个寄存器的值会被分成两个字节 0x12 和 0x34 进行传输。

其他解释 https://zhuanlan.zhihu.com/p/715697502
nodejs中modbus-serial实现 https://blog.youkuaiyun.com/zh8706/article/details/130712776