一、Modbus通信协议的基本知识

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（既现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。

基于串行链路的 Modbus 通信协议有两种传输模式，它们分别是 Modbus RTU 与 Modbus ASCII，这两种模式在数值数据表示和协议细节方面略有不同。Modbus RTU 是一种紧凑的， 采用二进制数据表示的方式，而 Modbus ASCII 的表示方式则更加冗长。在数据校验方面；Modbus RTU 采用循环冗余校验方式，而 Modbus ASCII 采用纵向冗余校验方式。另外，配置 为 Modbus RTU 模式的节点无法与 Modbus ASCII 模式的节点通信。

表3-1RTU模式与ASCII模式对照表

Modbus 是一种单主/多从的通信协议，即在同一时间里，总线上只能有一个主设备， 但可以有一个或多个（最多 247 个）从设备。主设备是指发起通信的设备，而从设备是接收 请求并做出响应的设备。在 Modbus 网络中，通信总是由主设备发起，而从设备没有收到来 自主设备的请求时，不会主动发送数据。ModBus 通信的请求与响应模型如图所示。在 Modbus 网络中，主设备向从设备发送 Modbus 请求报文的模式有两种：单播模式与广播模式。

图3-26Modbus 通信的请求与响应

单播模式：主设备寻址单个从设备。主设备向某个从设备发送请求报文，从设备接收并 处理完毕后向主设备返回一个响应报文。

广播模式：主设备向 Modbus 网络中的所有从设备发送请求报文，从设备接收并处理完毕后不要求返回响应报文。

正常响应时，响应功能码 与请求信息中的功能码相同。

图3-27服务器正常响应

发生异常时，功能码将被修改以指出响应消息是错误的。差错检测区允许主设备确认消息内容是否可用。

图3-28服务器异常响应

二、Modbus寄存器

寄存器是Modbus通信协议的一个重要组成部分，它用于存放数据。Modbus寄存器最初借鉴于PLC（Programmable Logical Controller，可编程控制器）。后来随着Modbus通信协议的发展，寄存器这个概念也不再局限于具体的物理寄存器，而是慢慢拓展到了内存区域范畴。

根据存放的数据类型及其读写特性，Modbus 寄存器被分为4种类型，如表 3-2所示：分别是线圈状态（Coll），作为输出端口（可读可写），相当于PLC的DO（数字量输出），可用于LED显示、电磁阀输出等；第二是离散输入状态（Discerte Input），作为输出端口（只读），相当于PLC的DI（数字量输入），可用于接近开关、拨码开关等；第三是保持寄存器，作为输出参数或保持参数（可读可写），相当于PLC的AO（模拟量输出），可用于模拟量输出设定值、传感器报警阈值等；第四是输入寄存器，作为输入输出（只读），相当于PLC的AI（模拟量输入），可用于模拟量输入值。

表3-2Modbus 寄存器的分类与特性

寄存器地址又分为PLC地址和Modbus地址，其中这四个寄存器的Modbus协议地址是相同的，为0000H~FFFFH，以十六进制数据表示。具体的PLC地址如表 3-3所示。

表3-3Modbus 寄存器的地址分配

三、Modbus的串行消息帧格式

在计算机网络通信中，帧（Frame）是数据在网络上传输的一种单位，帧一般由多个部分组合而成，各部分执行不同的功能。Modbus通信协议在不同的物理链路上的消息帧是有差异的，本节主要介绍串行链路上的Modbus消息帧格式，包括ASCII和RTU两种模式的消息帧。在ASCII模式中，消息以冒号字符开始，以回车换行符结束。消息帧的其它域可以使用的传输字符是十六进制的0~F。Modbus网络上的各设备都循环侦测起始位——冒号字符，当接收到起始位后，各设备都解码地址域并判断消息是否发给自己的。注意：两个消息帧之间的时间间隔最长不能超过1秒，否则接收的设备将认为传输错误。一个典型的ModbusASCII消息帧如表 3-4所示。

表3-4典型的Modbus ASCII消息帧格式

在RTU模式中，消息的发送与接收以至少3.5个字符时间的停顿间隔为标志。Modbus网络上的各设备都不断地侦测网络总线，计算字符间的间隔时间，判断消息帧的起始点。当侦测到地址域时，各设备都对其进行解码以判断该帧数据是否发给自己的。另外，一帧报文必须以连续的字符流来传输。如果在帧传输完成之前有超过1.5字符时间的间隔，则接收设备将认为该报文帧不完整。一个典型的ModbusRTU消息帧如表 3-5所示。

表3-5典型的Modbus RTU消息帧格式

消息帧分为地址域、功能码域、数据域和差距校验四部分。地址域存放了Modbus通信帧中的从设备地址。Modbus ASCII消息帧的地址域包含2个字符，Modbus RTU消息帧的地址域长度为1个字节。在下行帧中，地址域表明只有符合地址码的从机才能接收由主机发送来的消息。上行帧中的地址域指明了该消息帧发自哪个设备。

功能码域用于表明一个Modbus信息帧的用途。当主设备向从设备发送信息时，功能码将告诉从设备需要执行哪些行为。

数据域与功能码紧密相关，存放功能码需要操作的具体数据。数据域以字节为单位，长度 是可变的。

差错校验是在数据通信过程中能发现或纠正差错，并把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。常用的校验方法有：循环冗余码和奇偶校验码。

四、Modbus的功能码

部分常用的Modbus功能码如表 3-6所示。01用于读取从设备的线圈或离散量（DO，数字量输出）的输出状态（ON/OFF）；02用于读取从设备的离散量（DI，数字量输入）的输入状态（ON/OFF）；03用于读取从设备保持寄存器的二进制数据，不支持广播；04用于读取从设备输入寄存器的二进制数据，不支持广播；05用于将单个线圈或单个离散输出状态设置为“ON”或“OFF”；06用于更新从设备单个保持寄存器的值。

表3-6部分常用的Modbus功能码

从表 3-7可以看到，从设备地址为 06，需要读取的 Modbus起始地址22(0x16)，结束地址为 54(0x36)，共读取33(0x21)个状态值。

表3-7功能码01的请求报文

响应报文和请求报文前两个都一样保持不变，但响应报文多了数据域字节数和数据域，前者是响应数据的长度，后者是具体的数据。CRC校验则是随着每个报文的不同而变化。

表3-8功能码01的响应报文

功能码02的请求报文和响应报文的结构和功能码01基本相同。

表3-9功能码02的请求报文

功能码03和功能码04的请求报文和响应报文的结构和功能码01基本相同。

表3-11功能码03的请求报文

功能码05和功能码06与以上功能码略有区别，它们的第四部分不是寄存器个数了，而是变更数据。01~04功能码着重突出读数据，功能码05是写单个线圈，功能码06是写单个保持寄存器。

表3-15功能码05的请求报文