Modbus规约简介

ModBus通讯协议
Modbus是一种串行通信协议，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网路（如以太网）和其它设备之间可以通信。他已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
协议采用主从通信模式，典型的主设备包括现场仪表和显示面板，典型的从设备为可编程逻辑控制器（PLC）。
主要优点：内容公开、无版权要求、不用支付额外的费用、硬件简单、容易部署。
一、传输方式
1、协议数据单元
Protocol Data Unit，PDU，协议数据单元由功能码+数据结构构成，如下图：

协议数据单元
功能码长度——1字节，表示要执行的功能；
数据长度——0~252个字节，表示要读取的地址或要写入的值，不同的功能码对应的数据有所不同。
协议数据单元有三种类型：
请求型协议数据单元（Request PDU）
应答型协议数据单元（Response PDU）
异常应答型协议数据单元（Exception Response PDU）
协议数据单元是Modbus协议通用数据结构，它与底层物理结构无关。但通信时，需要依赖与物理网络。因此要把协议数据单元映射到物理网络上，这就形成了应用数据单元（Application Data Unit，ADU）。由于底层网络的不同，ASCII与RTU应用数据单元结构与TCP应用数据单元的结构不同。

ASCII与RTU应用数据单元结构
TCP应用数据单元结构如下：

TCP应用数据单元结构
TCP应用数据单元在协议数据单元的基础上，添加了一个叫“MBAP”头的结构，即“ModBus Application”应用数据单元。

MBAP头结构
其中：
传输标识符：用于标识应用数据单元，即请求和应答之间的配对；客户端对该部分进行初始化，服务端将其拷贝到自己的ADU中；
协议标识符：系统间的协议标识，0==Modbus；
长度：接下来要发送的数据长度，即：单元标识符+PDU的总长度，以字节位单位；
单元标识符：用于系统间的站寻址，比如在以太网+串行链路中，远程站的地址；
2、协议类型
Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够识别和使用的消息结构，而不管它是经过何种网络进行通信的。
Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式，数据通讯采用Master/Slave模式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后发送数据到Master端以响应请求；Master端可以直接发送消息修改Slave端的数据，实现双向读写。
Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是面向连接的可靠协议。
Modbus采用主从方式收发数据，在实际使用中如果某个Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动连接。因此，Modbus协议的可靠性较好。
TCP和RTU协议非常类似，只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后再RTU协议的开始加上五个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送储区即可。

3、ASCII
异步串行通信，主要基于RS485串口通信媒介，消息中的每个8bit字节都作为两个ASCII码发送，可以做到字符发生的时间间隔长达1秒而不产生错误。

使用ASCII模式，消息以冒号（:）字符（ASCII码 3AH）开始，以回车换行符结束（ASCII码 0DH,0AH）。

其它域可以使用的传输字符是十六进制的0…9,A…F。网络上的设备不断侦测“:”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域（地址域）来判断是否发给自己的。
在该模式下，每个8位的字节被拆分成两个ASCII字符进行发送，比如发送0xAF（10101111），会分解成“A”（0x41，01000001）和“F”（0x46，01000110）两个字符，其发送量是RTU的一倍。

ASCII码对照表一

ASCII码对照表二
LRC校验
LRC域是一个包含一个8位的二进制字节。LRC由传输端计数并置于消息帧中，接收端在接收数据中计算LRC，并将结果与消息帧中的LRC进行校验，若出现差异，这说明有误。
LRC计算方式
将消息帧中开始处的“冒号”和结尾的“回车”、“换行”移除，其余的字符按字节叠加后取反加一。
4、RTU

Modbus-RTU是一种主从通信模式，

ASCII协议与RTU协议进行比较

二、数据模型
数据模型是对可访问数据的一种抽象，Modbus协议的数据模型定义了四种可访问的数据，分别是：
离散量输入（Discrete Input）
线圈（Coils）
输入寄存器（Input registers）
保持寄存器（Holding registers）

Modbus协议数据模型
Modebus协议允许设备将四种数据分别映射到不同的存储区中，各个区块之间相互独立，使用不同的功能码可以读取到相应的数值，如下图：

Modbus数据模型映射到不同的存储区块
协议也允许设备将四种数据映射到用以存储区块中，这样通过不同的功能码读取数据可能会得到相同的数据（比如：输入寄存器和保持寄存器位同一物理区块），如下图：

Modbus数据模型映射到同一区块
数据模型中的数据最大允许有65596个元素，编号从1开始：1_{65536，元素地址从0开始：0}65535。
需要说明的是：65536只是协议允许的最大元素范围，但并不要求全部实现。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。
三、地址模式
为了简化数据模型与设备存储区的对应关系，引入了一种地址模型，该模型通过编号的方式对不同类型数据进行区分呢个，各数据的地址编号如下：

Modbus地址模型
Modbus地址模型的编号从1开始，由于每种数据都最大支持65536个元素，因此理论上，
线圈型数据，其地址范围为：000001~065536；
离散型输入，其地址范围为：100001~165536；
输入寄存器，其地址范围为：300001~365536；
存储寄存器，其地址范围为：400001~465536；
由于65536是比较大的数值，实际应用一般不需要过大的存储区，因此PLC厂家普遍采用的是10000以内的地址范围，即：
线圈型数据，其地址范围为：00001~09999；
离散型输入，其地址范围为：10001~19999；
输入寄存器，其地址范围为：30001~39999；
存储寄存器，其地址范围为：40001~49999；
各PLC厂家根据PLC的实际情况，将Modbus的地址模型映射到实际的存储区。一般来说：
线圈——过程输出印象区（Q）
离散量输入——过程输入印象区（I）
输入寄存器——模拟量输入（AI）
保持寄存器——数据块或V存储区或M存储区。
以西门子S7-200 SMART为例：

Modbus地址模型对于RUT、ASCII和TCP都适用。
四、功能码表

Modbus功能码表一

Modbus功能码表二

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