Modbus协议介绍

核心概览

诞生： 1979年由 Modicon 公司（现为施耐德电气的一部分）为其 PLC 产品设计。
本质：一种应用层消息传递协议，位于 OSI 模型的第 7 层。它定义了客户端（主站/Master）和服务器（从站/Slave）之间如何请求和交换数据，独立于底层物理层（如 RS-232, RS-485, Ethernet, TCP/IP）。
架构：严格的主从式（Master-Slave）架构。
- 主站 (Master/Client)：通信的唯一发起者。它主动向从站发送请求（查询/命令）。
- 从站 (Slave/Server)：被动响应者。每个从站有唯一地址（1-247）。从站只能在接收到发给它的有效请求后，才进行响应（返回数据或执行操作）。从站不能主动发起通信或连接。
核心功能：提供对设备内部离散量（线圈）和寄存器（存储单元）的读取和写入操作。
开放性： Modbus 协议规范是公开的、免版税的，这促进了其广泛采用和众多厂商的支持。
简单性：协议结构简单，易于理解和实现（尤其是在微控制器上），硬件要求低。

核心概念

数据模型 (地址空间):
Modbus 将设备内部的数据抽象为四种主要类型，每种类型有独立的地址空间：

数据类型	访问方式	物理对应示例	Modbus 地址范围 (常用表示)	功能码 (部分)
线圈 (Coils)	读/写	数字量输出 (DO)、开关状态、可写标志位	00001 - 09999 (0x0000 - 0x270F)	读: 01 (0x01) 写: 05 (单), 15 (多)
离散输入 (Discrete Inputs)	只读	数字量输入 (DI)、开关状态、只读状态位	10001 - 19999 (0x0000 - 0x270F)	读: 02 (0x02)
输入寄存器 (Input Registers)	只读	模拟量输入 (AI)、只读参数、实时数据	30001 - 39999 (0x0000 - 0x270F)	读: 04 (0x04)
保持寄存器 (Holding Registers)	读/写	模拟量输出 (AO)、可配置参数、存储数据	40001 - 49999 (0x0000 - 0x270F)	读: 03 (0x03) 写: 06 (单), 16 (多)

地址表示：协议传输中使用的是从 0 开始的偏移地址（例如，保持寄存器 40001 在协议中表示为地址 0）。文档和软件界面常用带前缀的 5 位数地址（如 40001）方便理解。
数据类型：寄存器通常存储 16 位无符号整数。协议本身不定义浮点数、字符串等复杂类型，需要主从站约定数据在寄存器中的表示格式（如 IEEE 754 浮点数占用 2 个连续寄存器）。

协议数据单元 (PDU - Protocol Data Unit):
这是 Modbus 协议的核心，独立于底层传输方式。结构非常简单：
text
```
| 功能码 (1 Byte) | 数据 (0-N Bytes) |
```
- 功能码 (Function Code): 指定要执行的操作类型（读/写哪种数据，单点/多点）。高位为 1 表示异常响应。
- 数据 (Data): 包含请求或响应所需的参数，如起始地址、数量、实际数据值等。格式由功能码决定。
应用数据单元 (ADU - Application Data Unit):
PDU 加上特定传输方式所需的附加头尾信息，构成最终在网络上传输的报文。
- Modbus RTU/ASCII: ADU = [地址] + [PDU] + [错误校验]
- Modbus TCP: ADU = [MBAP Header] + [PDU]

主要传输方式 (物理层/链路层)

Modbus RTU (Remote Terminal Unit):
- 最常见的传输方式。
- 物理层: 通常基于 RS-232 或 RS-485 串行总线。RS-485 支持多点通信（一主多从），是主流。
- 数据表示: 二进制。数据直接以字节二进制形式传输。
- 报文结构 (ADU):
  text
```
| 从站地址 (1 Byte) | PDU (N Bytes) | CRC (2 Bytes) |
```
  - 从站地址: 目标从站标识符 (1-247, 0 是广播地址，248-255 保留)。
  - CRC (循环冗余校验): 用于检测传输错误。
- 特点: 效率高、紧凑。需要配置串口参数（波特率、数据位、停止位、奇偶校验）。依赖严格的时间间隔 (3.5字符时间) 界定报文帧。
Modbus ASCII (American Standard Code for Information Interchange):
- 物理层: 同 RTU (RS-232/RS-485)。
- 数据表示: 每个字节的十六进制ASCII字符表示（0-9, A-F）。每个数据字节用两个ASCII字符传输。
- 报文结构 (ADU):
  text
```
| ':' (起始符) | 从站地址 (2 Chars) | PDU (2*N Chars) | LRC (2 Chars) | CR LF (结束符) |
```
  - LRC (纵向冗余校验): 用于错误检测。
- 特点: 可读性强（用串口调试工具能直接看懂），效率低于 RTU（传输相同信息量需要双倍字节）。同样依赖时间间隔或起始/结束符界定帧。
Modbus TCP/IP:
- 物理层/网络层: 基于以太网 (Ethernet) 和 TCP/IP 协议栈。
- 报文结构 (ADU):
  text
```
| MBAP Header (7 Bytes) | PDU (N Bytes) |
```
  - MBAP Header (Modbus Application Protocol Header):
    - 事务标识符 (2 Bytes): 主站生成，用于请求响应配对（一个连接上可能有多个并发请求）。
    - 协议标识符 (2 Bytes): 固定为 0x0000，表示 Modbus 协议。
    - 长度 (2 Bytes): 指示后面 PDU 字段 + 单元标识符字段的总字节数。
    - 单元标识符 (1 Byte): 功能上等同于 RTU 中的从站地址，用于标识串行链路或总线上的目标从站（在 TCP 直连单个设备时，此字段常被忽略或设为固定值，如 0xFF 或 0x00）。这是实现 Modbus TCP 到 Modbus RTU/ASCII 网关的关键字段。
- 特点:
  - 利用 TCP 的可靠传输（确认、重传、流控）。
  - 使用标准以太网和 IP 网络，易于集成到现有 IT 基础设施。
  - 支持长距离通信（跨网段、互联网，需考虑安全和延迟）。
  - 不再依赖时间间隔界定帧，由 TCP 的流控制保证数据完整性。
  - 默认端口是 502。
  - 一个主站可以同时通过不同 TCP 连接与多个从站通信，或者多个主站连接同一个 TCP 从站服务器（需从站支持并发连接）。
其他变种:
- Modbus Plus (Modbus+): Modicon 专有的高速令牌总线网络，非开放标准，逐渐被以太网替代。
- Modbus over UDP: 使用 UDP 代替 TCP，速度更快但不可靠。应用较少。
- Modbus Secure: 基于 TLS/SSL 的加密 Modbus TCP，解决安全问题。

通信过程

主站发起请求：
- 主站构建一个包含目标从站地址（或单元标识符）、功能码和所需数据（地址、数量、写入值等）的 PDU。
- 根据传输方式（RTU/ASCII/TCP）封装成 ADU。
- 发送 ADU 到网络。
从站处理请求：
- 从站接收到 ADU。
- 检查地址/单元标识符是否匹配自己。
- 校验数据完整性（CRC/LRC 或 TCP 层保证）。
- 解析 PDU 中的功能码和数据。
- 执行请求的操作（读取线圈/寄存器状态，或写入值）。
从站发送响应：
- 如果请求成功，构建一个包含原功能码（正常）和请求数据（读请求）或确认信息（写请求）的 PDU。
- 如果请求失败（非法功能码、非法地址、执行错误等），构建一个异常响应 PDU：将原功能码最高位置 1 (功能码 + 0x80)，后面跟一个异常码 (1 Byte) 指示错误原因。
- 根据传输方式封装成 ADU。
- 发送响应 ADU 回主站。
主站处理响应：
- 主站接收到响应 ADU。
- 校验数据完整性。
- 检查事务标识符（TCP）或地址（RTU/ASCII）是否匹配之前的请求。
- 解析 PDU：
  - 如果是正常响应：提取数据或确认操作成功。
  - 如果是异常响应：根据异常码处理错误。

功能码 (Function Codes - 常用示例)

功能码 (十进制/十六进制)	名称	作用	访问类型	PDU 请求示例 (简化)	PDU 响应示例 (简化)
01 / 0x01	Read Coils	读取一个或多个线圈状态	读	FC 01, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo	FC 01, Byte Count, Coil Status Data
02 / 0x02	Read Discrete Inputs	读取一个或多个离散输入状态	读	FC 02, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo	FC 02, Byte Count, Input Status Data
03 / 0x03	Read Holding Registers	读取一个或多个保持寄存器内容	读	FC 03, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo	FC 03, Byte Count, Register Data Hi/Lo...
04 / 0x04	Read Input Registers	读取一个或多个输入寄存器内容	读	FC 04, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo	FC 04, Byte Count, Register Data Hi/Lo...
05 / 0x05	Write Single Coil	写入单个线圈状态 (ON/OFF)	写	FC 05, Output Addr Hi/Lo, Value Hi/Lo (FF00=ON, 0000=OFF)	FC 05, Output Addr Hi/Lo, Value Hi/Lo (Echo)
06 / 0x06	Write Single Register	写入单个保持寄存器内容	写	FC 06, Reg Addr Hi/Lo, Value Hi/Lo	FC 06, Reg Addr Hi/Lo, Value Hi/Lo (Echo)
15 / 0x0F	Write Multiple Coils	写入多个线圈状态	写	FC 15, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo, Byte Count, Coil Data	FC 15, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo
16 / 0x10	Write Multiple Registers	写入多个保持寄存器内容	写	FC 16, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo, Byte Count, Reg Data Hi/Lo...	FC 16, Start Addr Hi/Lo, Qty Hi/Lo

优势

简单易懂：协议结构清晰，易于开发和集成。
开放免费：规范公开，无授权费用。
广泛支持：几乎所有 PLC、HMI、SCADA 系统、DCS、仪表、驱动器、智能设备都支持 Modbus。
成熟稳定：经过数十年工业现场验证，可靠性高。
易于部署：硬件要求低（尤其 RTU），布线简单（RS-485 总线）。
互操作性强：不同厂商设备只要遵循协议规范即可通信。

局限性

主从限制：从站不能主动上报数据（如报警、事件），主站必须不断轮询。实时性受限。
无内置安全机制：
- RTU/ASCII：无认证、无加密（明文传输），易受窃听、欺骗、篡改。
- TCP：依赖网络层安全（如 VPN, 防火墙），协议本身无安全特性（直到 Modbus Secure）。
数据模型简单：仅支持基本数据类型（位、16位字），复杂结构需约定。
无对象模型：缺乏对设备信息（如厂商、型号、版本）的标准访问方式（对比 OPC UA）。
效率问题 (RTU/ASCII):
- 轮询机制在从站多、数据量大时效率低、延迟高。
- 串行传输速度相对较慢。
广播限制：广播写操作缺乏确认机制，可靠性存疑。
缺乏时间戳：协议本身不携带数据产生的时间戳。

应用场景

PLC 与 HMI (人机界面) 通信
SCADA/DCS 系统采集现场设备（传感器、变送器、仪表、驱动器）数据
楼宇自动化系统 (HVAC, 照明控制)
能源监控系统 (电表、水表、气表)
工厂设备状态监控与数据采集
RTU (远程终端单元) 与中心站通信

总结

Modbus 是一个简单、开放、可靠的工业通信协议基石。尽管它在安全性、实时性、数据模型复杂度方面存在局限性，但其无与伦比的普及度、易用性和稳定性使其在工业自动化领域仍然占据着极其重要的地位，尤其是在连接传统设备和构建基础监控系统方面。在现代 IIoT 和边缘计算场景中，Modbus 通常作为边缘网关向下连接现场设备的协议，而网关则通过更现代的协议（如 MQTT, HTTPS）将数据上传到云端或上层系统。

理解 Modbus 的核心在于掌握其主从架构、四种数据模型（线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器）及其地址映射、功能码的作用以及不同传输方式（RTU, ASCII, TCP）的报文封装机制。

posted @ 2025-07-30 23:37 卖雨伞的小男孩阅读(206) 评论(0) 收藏举报

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