Modbus协议学习

Modbus协议简介

Modbus 就是为了实现多个设备相互通信的应用层协议。在市面上很多数据采集设备都会采用Modbus协议。

主要包括三种报文：
ModbusRtu，ModebusAscii ， ModbusTcp

这三种报文的报文主体（包括从机地址+功能码+数据域）都相同，没有本质区别。
注意的是，ModebusAscii 因为使用的是ASCII编码，相比Rtu 来说，占用空间更大，传输效率更低。

优点：

Modbus 是最开始使用RS232 、RS485等串行链路作为底层通信方式，串行总线的接口芯片成本低，而且布线简单；
Modbus 是简单的应用层协议，其信息格式简单易懂。
开源免费
可以在多种电气接口（R232，R485）和通讯介质（以太网、蓝牙、wifi等）中运行
报文帧简单紧凑
常用介质：串口、以太网，主要的通讯方式：
ModbusRtu（常用在串口运行，使用原始二进制，底层使用RS485串行链路通讯）
ModebusAscii （常用在串口运行，使用ASCII编码底层使用RS485串行链路通讯）
ModebusUdp
ModbusTcp
ModebusRtuOverTcp
ModebusAsciiOverTcp
ModebusRtuUdp
ModebusAsciiUdp

Rtu 和 Ascii 的区别：例如：
发送10 这个数据，使用Rtu 的话，数据被转换为 0x0A = 10，
但是Ascii会将数据转化为两个字符（1 ，0） 0x31 0x30（针对Ascii码表对应的1,0的数转的），而且还有包头包尾

Modbus总线

Modbus，bus即总线的意思，而总线是一种网络拓扑结构，一般包括星型结构、环型、树型、总线型等多种。当然无论哪种网络拓扑结构最终都是为了实现多个设备之间的通讯。
Modbus 则是采用的总系型拓扑结构，如下：

特点：

如图，多个设备复用同一条总线，能大大减少了布线的复杂性。
此时多个设备复用同一条总线时，会出现，当同时发送数据时，数据会产生冲突，为了避免数据冲突的出现，Modbus协议就采用了一种主从通讯方式去解决这种问题。

主从通讯模式

主从模式就是如图所示，在整个系统中只能存在一个主机设备（master），和多个从机设备（slave）
Modbus 采用请求-应答的模式，并规定，Modbus请求只能有主机发起，即主机发送请求数据给从机，从机只能接收来自主机的请求并做出相应的应答，返回应答数据给主机。
从机不能主动发起请求，只能被动接收主机的请求。
为了避免数据冲突，主机不能并行发送数据，当发送完第一个数据，只有等到从机返回应答或者应答超时后，才能发送第二个数据
每个从机在一个系统中只有一个从机地址，主机发送数据请求时，会在请求数据中携带目标从机的地址，当主机发送数据到总线上时，每一个从机都会接到主机的数据，但是只有与请求数据中目标地址相同的从机才会做出应答，其他从机则会忽略此请求。

Modbus存储区

数据类型，分：布尔量寄存器
读写性，分：只读读写

只读布尔量：输入线圈 ————规定为 1区，即寄存器1，一般情况地址范围：10001-19999
只读寄存器：输入寄存器———规定为 3区，即寄存器3，范围：30001-39999
读写布尔量：输出线圈————规定为 0区，即寄存器0，范围：00001-09999
读写寄存器：输出寄存器———规定为 4区，即寄存器4，范围：40001-49999

操作

读取输入线圈
读取输入寄存器
读取输出线圈
读取输出寄存器
写入单个输出线圈
写入多个输出线圈
写入单个输出寄存器
写入多个输出寄存器

如何进行上面的操作——功能码

读取输入线圈1—————0x02
读取输入寄存器3————0x04
读取输出线圈0—————0x01
读取输出寄存器4————0x03
写入单个输出线圈0———0x05
写入多个输出线圈0———0x0F
写入单个输出寄存器4——0x06
写入多个输出寄存器4——0x10

Modbus 调试工具：
ModbusPoll （扮演客户端或者主站的角色）
ModbusSlave（扮演服务器或者从站的角色）

VSPD（扮演虚拟串口）

Modbus报文格式 / 消息帧格式

前面已经说过了Modus 通讯协议主要包括以下三种报文
主要包括三种报文：
ModbusRtu，ModebusAscii ， ModbusTcp

这三种报文的报文主体（包括从机地址+功能码+数据域）都相同，没有本质区别。

从机地址：

首先从机地址是唯一的，用户可以自定义配置设备的从机地址，但是必须保证从机地址是唯一的。
从机地址范围为1-247， 0为广播地址， 248-255为预留地址

功能码：

功能码就对应了设备提供的某个服务或者功能，Modbus 标准中把功能码分为了3类：
（1）公共功能码：modbus已经规定好的，其功能已经被明确的
（2）用户自定义功能码：设备根据需求自定义的功能码，取值范围为 65-72 和 100-110
（3）保留功能码：目前没有使用，可忽略。

读取输入线圈1—————0x02
读取输入寄存器3————0x04
读取输出线圈0—————0x01
读取输出寄存器4————0x03
写入单个输出线圈0———0x05
写入多个输出线圈0———0x0F
写入单个输出寄存器4——0x06
写入多个输出寄存器4——0x10

数据域

数据域用来存放真正要通讯的数据，数据域是以字节为单位的，长度可变的，数据域的格式可变，而具体的格式是由功能码决定的。

数据地址
Modbus读写时必须要数据地址，理论上每种寄存器的数据地址的取值范围都为0x0000-0xFFFF，注意不同种类的寄存器的数据地址是独立的。

Modbus TCP

由于以太网的流行，所以modbus也引进了TCP/IP作为通信方式。尽管RS485串行链路比以太网链路简单。毕竟Modbus是应用层协议，不管底层使用RS485链路还是TCP，应用层变化不大。

Modbus 的 TCP通信的相较于串口通讯的特点
前面提到过了Modbus 主从通信模式主要是为了避免多个设备的数据冲突，而TCP 底层已经使用CSMA/CD（我目前还不懂）解决了数据冲突的问题，而且TCP是全双工通讯，RS485是半双工，这就使得Modbus TCP的从机可以主动发送报文到系统中而不会产生冲突，（尽管这种操作是不符合Modbus标准的），所以在使用TCP连接时，Modbus 系统可以实现多主/多从的通信模式。