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