通讯协议（三）——Modbus（应用层通讯协议）

目录

一、Modbus协议简介

二、Modbus协议详解

1、Modbus RTU

（1）存储区及其地址介绍

（2）功能码及其作用

（3）报文格式

（4）相对地址与绝对地址

2、Modbus ASCII

3、Modbus TCP/IP

（1）Modbus TCP/IP与RTU区别

（2）Modbus TCP/IP报文格式

报文结构详解

三、如何选择协议

ModbusPoll安装包

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ModbusPoll是调试Modbus通讯最常用的软件，其使用方法以后会给出，其实读懂本文对Modbus协议的解析之后，此软件便会用了，若使用有问题，欢迎留言询问，软件安装包已在文末给出。

一、Modbus协议简介

        Modbus通讯协议是工业自动化领域应用最广泛的通信协议之一，由美国Modicon公司（现属施耐德电气）于1979年为其PLC产品设计。最初目的是为工业设备提供一种简单、通用的通信方式，以实现控制器与现场设备之间的数据交换。

        核心架构是主从模式，即一主多从，在同一时间总线上只能 有一个主设备,但可以有一个或者多个(最多 247 个)从设备。这与之前介绍的几种协议有所区别。主要变种：Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP。 主要常见RS-485, RS-232，也可基于以太网（Modbus TCP）。最大的特点是标准、开放、简单，可免费使用，帧格式紧凑易懂。

二、Modbus协议详解

1、Modbus RTU

        Modbus RTU：这是工业现场总线中最主流的形式。它采用二进制编码，数据帧非常紧凑，传输效率高。每个数据帧都以一段沉默间隔开始和结束，并通过CRC校验来保证数据的准确性，非常适应工业环境下的抗干扰需求。

（1）存储区及其地址介绍

        Modbus RTU协议将设备的数据组织在四个核心存储区中，每个区有特定的功能和地址范围。下面这个表格汇总了它们的核心特性:

   存储区详解与使用要点

线圈寄存器 (0区)：通常用来控制开关量设备，比如继电器的通断、指示灯的亮灭。每个线圈的状态就是一个布尔值（0或1）。

离散输入寄存器 (1区)：用于表示只能读取的开关量状态，例如按钮是否被按下、限位开关是否触发等。

保持寄存器 (4区)：最常见的用于存储数据的区域，可读可写。常用来存放设备参数（如设定温度、速度）、计数器值等。每个寄存器可以存储一个16位的整数，或多个寄存器组合存储浮点数等复杂数据。

输入寄存器 (3区)：用于存储从外部采集的、只读的数据，例如温度传感器的读数、电压电流值等。

地址编号规则

Modbus设备通常支持两种地址编号方式：5位标准地址和6位扩展地址。

5位标准地址：这是最传统的格式，地址范围如上表所示。地址的第一位数字（前缀）用于区分不同的存储区。

6位扩展地址：为了支持更大的数据容量，许多现代设备采用了6位地址格式，将每个存储区的寻址范围扩展到了最多65536个单元。

绝对地址与 相对地址

理解这两种地址的区别对正确进行通信至关重要：

绝对地址：这是在设备手册、组态软件或HMI界面上看到的地址编号，例如40001。它是一个便于人类识别的“标签”。

相对地址：这是在实际通信报文中使用的地址。它是从每个存储区的起始位置开始计算的偏移量。例如，绝对地址40001对应的相对地址是0000；绝对地址40002对应的相对地址是0001，以此类推。

当你在编程或配置主站设备（如PLC、SCADA系统）时，需要根据设备的说明书，将手册中给出的绝对地址转换为相应的相对地址填入通信指令中。

（2）功能码及其作用

Modbus协议主要通过功能码（Function Code）​ 来约定不同设备的行为。下表列举了一些最常用的功能码：

（3）报文格式

Modbus 协议 RTU 报文格式如下所示：

分析一段监控到的报文来加深理解：

（主）发送：01 03 00 00 00 02 C4 0B

 01 从站地址；03 读输出寄存器；00 00 起始寄存器；00 02 寄存器长度；C4 0B CRC校验。

（主）接收：01 03 04 01 46 01 3B 5A 59

01 从站地址；03 读输出寄存器；04 字节计数；01 46 01 3B 具体4个字节；5A 59 CRC校验。

（4）相对地址与绝对地址

理解Modbus协议中的相对地址与绝对地址，是确保通信成功的关键。

2、Modbus ASCII

Modbus ASCII：这种模式使用可打印的ASCII字符来编码数据。虽然传输效率较低，但优点是发送的数据可以直接被终端软件显示或人工解读，非常便于调试和诊断。它使用LRC进行校验。消息以冒号（:）开始，以回车换行符（CR, LF）结束。

报文格式与Modbus RTU一样：设备地址+功能码+数据域+CRC校验。

可读的文本格式：这是最本质的区别。Modbus ASCII 将每个数据字节（如 0x4F）用两个对应的ASCII字符（即 '4'和 'F'）来表示。因此，用普通的串口调试助手捕获到的报文是像 :010300000001FB\\r\\n这样的可读字符串，非常便于人工阅读和调试。

宽松的时序要求：由于有明确的开始和结束标志，Modbus ASCII 对帧内字符之间的传输间隔要求很宽松（最长可达1秒），这使其在通信质量不佳或波特率不稳定的低速场景中更具适应性。

效率与适用场景：文本编码的代价是传输效率较低。同样一条指令，Modbus ASCII 帧的长度约为 RTU 帧的两倍。因此，它通常用于数据量小、速率低、或需要频繁人工介入调试的场合，例如连接一些老旧的工业设备或实验室仪器。而对于高速、大数据量的工业现场通信，Modbus RTU 是绝对的主流选择。

简单来说，您可以将 Modbus ASCII 理解为 RTU 的“文本版”，牺牲了效率，换来了更高的可读性和对通信条件的容忍度。总体来说与RTU差别不大。

3、Modbus TCP/IP

（1）Modbus TCP/IP与RTU区别

Modbus TCP/IP通过IP地址区分从机；TCP/IP数据包中已存在校验。

（2）Modbus TCP/IP报文格式

Modbus TCP/IP：这是Modbus协议运行在以太网上的版本。为了适应TCP/IP协议栈，它在标准的Modbus协议数据单元（PDU）前增加了一个MBAP报文头。这个报文头包含了事务标识符、协议标识符、长度和单元标识符等信息，用于在网络环境中管理通信会话。由于底层TCP协议已经提供了可靠的连接，因此不再需要CRC或LRC校验。它默认使用502端口。

Modbus TCP/IP的报文格式如下：

报文结构详解

整个报文可以理解为在标准的 Modbus 指令外面，套上了一个适应网络环境的“信封”。

1）MBAP 报文头（Modbus Application Protocol Header）

这是 Modbus TCP/IP 特有的部分，共 7 个字节，用于网络通信的管理。您可以将其理解为一个“快递面单”。

• 事务处理标识符（2 字节）：这是由客户端（主站）生成的唯一编号，用于匹配请求和响应。服务器（从站）在返回响应时必须原样返回此标识符。这解决了在网络中可能同时存在多个未完成请求时，如何正确配对的问题。

• 协议标识符（2 字节）：用于标识这是 Modbus 协议。固定为 0，其他值通常被视为非法。

• 长度字段（2 字节）：指示其后所有字节的数量。具体来说，是从下一个字节（即单元标识符）开始，到整个 PDU 结束的字节数。例如，一个典型的读寄存器请求（单元标识符1 + 功能码1 + 地址2 + 数量2 = 6字节），此字段值就是6。

• 单元标识符（1 字节）：这个字段的作用类似于 Modbus RTU 中的从站地址，但它是在TCP/IP网络内部使用的。当一个TCP连接（例如，通过网关）后端连接了多个串行设备时，此字段用于指定最终要访问的从站设备。如果只有一个设备，通常设为 1 或 255。

2） PDU 报文（协议数据单元）

这部分是标准的 Modbus 协议内容，与您在 RTU 或 ASCII 模式中看到的核心部分完全相同。它包含了具体的操作指令。

• 功能码（1 字节）：定义要执行的操作，例如 0x03是读保持寄存器，0x10是写多个寄存器。这与 Modbus RTU 中的功能码完全一致。

• 数据区（N 字节）：功能码所带的参数。例如，读请求 (0x03) 的数据区包含“起始地址”和“寄存器数量”；响应 (0x03) 的数据区则包含“字节数”和“寄存器的值”。

三、如何选择协议

在选择合适的Modbus协议时，可以遵循一个简单的原则：根据通信介质和速度需求来决策。

需要高速、远距离通信，或集成到现有企业网络：​ 优先选择 Modbus TCP/IP。它适合车间级的数据采集和监控系统（SCADA）。

在设备现场进行布线，追求高可靠性和实时性：​ 选择 Modbus RTU。它是工业控制柜内设备通信的绝对主力。

通信速率要求不高，但需要频繁查看数据内容进行调试：​ 可以考虑 Modbus ASCII。它在调试或需要高可读性的慢速场景中有其价值。

ModbusPoll安装包

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