一、Modbus概述
1.MODBUS通信栈（软件实现方法）
2.MODBUS应用协议
2.1 MODBUS应用协议介绍
- Modbus是一种简单客户机/服务器应用协议；
- 客户机能够向服务器发送请求；
- 服务器分析请求，处理请求，向客户机发送应答。
2.2 MODBUS事务处理（无差错）
- 当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常(无差错)响应或者出现某种差错(称为异常响应)；
- 对于一个正常响应来说，服务器仅复制原始功能码。
2.3 MODBUS事务处理（异常处理）
- 对于异常响应，服务器将原始功能码的最高有效位(mostsignificant bit,MSB)设置逻辑值1之后返回(相当于十进制处理中将原功能码加上128)；（功能码为1个字节，8个二进制位，最高位1等于十进制128、十六进制80）；
- 异常码指示差错类型。
3.通用MODBUS帧结构
3.1 应用数据单元
Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)，在特定总线或网络上附加一些字段，构成该总线或网络上的ADU。
- PDU中的功能码确定执行哪一种操作；
- 功能码后面是请求和响应参数的数据域；
- ADU中附加地址用于告知站地址，校验域用于报文校验的CRC计算结果。
MODBUS数据模型
MODBUS ADU与PDU长度
MODBUS PDU结构
二、MODBUS协议说明
MODBUS协议是工业自动化中广泛使用的主/从式通信协议，它的设计初衷是为了在各种设备之间进行数据传输和交换,在开放系统互连(OSI)模型中处于第二层(数据链路层)。
1.MODBUS的基本概念
1.1 通信模型
MODBUS是一种主从通信协议，这意味着在通信过程中存在一个主设备和一个或多个从设备。主设备负责发起通信，而从设备则响应主设备的请求，主节点在同一时刻只会发起一个Modbus事务处理。
在物理层，Modbus串行链路系统可以使用不同的物理接口(RS-485、RS232)
- 最常用的是TIA/EIA-485(RS-485)两线制接口
- 作为附加的选项，也可以实现RS-485四线制接口(RS-422)
- 当只需要短距离的点到点通信时，TIA/EIA-232-E(RS-232)串行接口也可以使用
1.2 数据结构
MODBUS协议定义了数据的格式和传输方式：
- 功能码：用于指示从设备执行的操作，如读写寄存器、线圈等。
- 数据域：包含了具体的操作数据信息，根据功能码的不同，数据域的内容也有所不同。
- 错误检测：通过循环冗余校验（CRC）或纵向冗余校验（LRC）确保数据传输的可靠性。
1.3 通信方式
MODBUS支持三种主要的传输方式：
- MODBUS RTU（Remote Terminal Unit）：在RS-485或RS-232物理层上传输，数据以二进制格式发送。
- MODBUS ASCII：在RS-485或RS-232物理层上传输，数据以ASCII码格式发送。
- MODBUS TCP/IP：基于以太网传输，数据封装在TCP/IP包中。
两种串行传输模式RTU模式和ASCII模式。
- 它定义了报文域的位内容在线路上串行的传送，以及确定了信息如何打包为报文和如何解解码。
- Modbus串行链路上所有设备的传输模式以及串行口通信参数(波特率、数据位、停止位、校验位)必须相同
- 一般默认设置为RTU模式
2.MODBUS的工作原理
2.1 请求与响应机制
MODBUS通信基于请求-响应机制。主设备发送请求帧，从设备收到请求后进行处理，并发送响应帧回主设备。
2.2 功能码与操作
MODBUS协议支持多种功能码，不同的功能码对应不同的操作：
| 0x01 | 读线圈状态 |
| 0x02 | 读离散输入状态 |
| 0x03 | 读保持寄存器 |
| 0x04 | 读输入寄存器 |
| 0x05 | 写单个线圈 |
| 0x06 | 写单个保持寄存器 |
| 0x0F | 写多个线圈 |
| 0x10 | 写多个保持寄存器 |
2.3 数据帧格式
- 网络上的每个从站必须有唯一的地址(从1到247)
- 从站地址用于寻址从站设备，由主站发起
- 地址0用于广播模式，不需要响应
以MODBUS RTU为例，数据帧格式如下：
- 起始位：一个或多个空闲时间段，用于同步
- 从设备地址：唯一标识从设备的地址
- 功能码：表示要执行的操作
- 数据域：包含具体的操作数据
- 错误校验：CRC校验码，用于检测数据传输是否错误
- 结束位：空闲时间段，表示数据帧结束
2.4 地址规则
3.MODBUS RTU
3.1 MODBUS RTU概述
- 当控制器设为在Modbus网络上以RTU(Remote Terminal Unit)模式通信，在报文中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据(更高的吞吐率)
- 代码系统：8位二进制，十六进制数0..9，A..F
- 报文中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成
每个字节的位
- 1个起始位
- 8个数据位，最小的有效位先发送
- 1奇偶校验位，无校验则无
- 1个停止位(有校验时)，2个Bit(无校验时)
错误检测域
- CRC(循环冗长检测)
位序列
帧格式
帧的标识与鉴别
循环冗余校验
传输错误检测
报文实例
1111
MODBUS功能码
实例
异常码
串行链路的物理层与信号规范
RS-232
连接器
数据传输
网络拓扑
信号
波形实例
485
线缆
越小，抗干扰越强
传输方式
网络拓扑
信号
波形示例
传输速率与格式
