深入理解Modbus通讯

简介

Modbus通信协议由Modicon公司(现已经为施耐德公司并购，成为其旗下的子品牌)于1979年发明的，是全球最早用于工业现场的总线规约。Modbus通信协议采用的是主从通信模式(Master/Slave通信模式)，其在分散控制方面应用极其广泛，从而使得Modbus协议在全球得到了广泛的应用。

Modbus是一项应用层报文传输协议， 用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客
户机/服务器通信。其具有支持串口(主要是RS232,RS422，RS-485总线)，以太网多个版本，其中最著名的是Modbus RTU,Modbus ASCII和Modbus TCP三种。其中Modbus RTU与Modbus ASCII均为支持RS-485总线的通信协议，其中Modbus RTU由于其采用二进制表现形式以及紧凑数据结构，通信效率较高，应用比较广泛。而Modbus ASCII由于采用ASCII码传输，并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识，其传输效率要远远低于Modbus RTU协议，一般只有在通信数据量较小的情况下才考虑使用Modbus ASCII通信协议，在工业现场一般都是采用Modbus RTU协议，一般而言，大家说的基于串口通信的Modbus通信协议都是指Modbus RTU通信协议。

通用Modbus协议描述

Modbus是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。Modbus功能码是Modbus请求/应答PDU 的元素。

Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)，特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元(ADU)上引入一些附加域

既然Modbus是通过PDU完成相关操作的，那么看看PDU的种类，他们是：

1. Modbus请求PDU，mb_req_pdu

2. Modbus响应PDU，mb_rsp_pdu

3. Modbus异常响应PDU，mb_excep_rsp_pdu

Modbus使用最高有效字节在低地址存储的方式表示地址和数据项，这意味着当发送多个字节时，首先发送最高有效字节，例如：

0x1234，发送的第一个字节为0x12，然后是0x34

 Modbus数据模型

数据模型是对从站设备可访问的数据进行抽象，Modbus协议的数据模型定义了四种可访问的数据：

 其中，离散量输入和线圈数据类型是布尔量，因此只支持以位(bit)的方式进行访问，输入寄存器和保持寄存器数据类型是无符号2字节整型，因此支持以字的方式进行访问。当主设备访问从设备的这些数据模型时，离散量输入和输入寄存器只支持以只读的方式进行访问，而线圈和保持寄存器既可以读也可以写。

数据模型中的每一种数据区块都最多允许有65536(2^16)个元素，Modbus定义了每个数据元素的地址，范围从0到65,535。但是每个数据元素的编号从1开始，范围从1到65,536。

需要说明的是：65536只是协议允许的最大元素范围，并不要求全部实现。Modbus协议允许设备根据自己的实际情况实现部分元素，甚至不要求实现模型中全部四种数据模型。譬如设备可能会选择不执行线圈、离散输入或输入寄存器，而只使用保持寄存器150至175和200至225。这是完全可以接受的，并且通过异常来处理无效的访问。
 

Modbus协议的地址模型

为了简化数据模型与设备存储区的对应关系，又引入了地址模型的概念，通过编号的方式对不同类型数据进行区分，也就是通过特定的编号作为前缀加到所讨论的数据地址中。如表中所示，通过0,1,3,4分别表示线圈，离散量输入，输入寄存器，和保持寄存器。

因此理论上，

线圈地址范围：000001~065536

离散量输入地址范围：100001~165536

输入寄存器地址范围：300001~365536

保持寄存器地址范围：400001~465536

由于65536是比较大的数值，实际应用一般不需要这么大的存储区，因此设备厂家普遍采用的是10000以内的地址范围，即：

线圈地址范围：00001~09999

离散量输入地址范围：10001~19999

输入寄存器地址范围：30001~39999

保持寄存器地址范围：40001~49999

有了该地址模型，我们就可以从Modbus寄存器的地址判断要访问的区块的类型。譬如常见到的寄存器地址40001/400001，最前面的4表明它是一个保持寄存器，后面的0001或者00001都是指第一个保持存储器，并且它的地址是0。寄存器30004表明它是输入寄存器，地址是3。寄存器10008表明它是离散量输入，地址是7。

要注意的是，保持寄存器和输入寄存器中的数值是2个字节，而线圈和离散量输入中数值大小仅为1bit (位）

地址模型解决了协议操作地址与硬件内部实际地址的对应关系，下面来看看功能码，也就是要执行的操作。

功能码

 功能码使用示例

读寄存器(0x03)

 

 

写寄存器(0x10) 

 

 

 理解了功能码的请求帧，以及正常响应帧，异常响应帧的格式，那么Modbus的程序开发应该就水到渠成了。