【技术】详细解析Modbus协议
工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制，如今已进入网络时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。Modbus就是工业控制器的网络协议中的一种，本文恩智测控将为您详细解析Modbus协议。
Modbus通信协议简介
Modbus协议，首先从字面理解它包括Mod和Bus两部分，首先它是一种bus，即总线协议，和I2C、SPI类似，总线就意味着有主机，有从机，这些设备在同一条总线上。
Modbus支持单主机，多个从机，最多支持247个从机设备。关于Mod，因为这种协议最早被用在PLC控制器中，准确的说是Modicon公司的PLC控制器，这也是Mod-Bus名称的由来。
后来Modicon被施耐德（Schneider）收购，Modbus协议广泛应用在工业控制器、HMI和传感器上，逐渐被其他厂商所接受，成为了一种主流的通讯协议，用于和外围设备进行通讯。
Modbus在7层OSI参考模型中属于第七层应用层，数据链路层有两种：基于标准串口协议和TCP协议，物理层可使用3线232、2线485、4线422，或光纤、网线、无线等多种传输介质。
Modbus协议是一种请求/应答方式的交互过程，主机主动发起通讯请求，从机响应主机的请求，从机在没有收到主机的请求时，不会主动发送数据，从机之间不会进行通讯。
Modbus 通信协议特点
（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。
（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。
（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。
Modbus4种数据类型
Modbus协议规定，进行读写操作的数据类型，按照读写属性和类型可分为以下4种：
1. 离散量输入（Discretes Input ）：1位，只读
2. 线圈（Coils）：1位，读写
3. 输入寄存器（Input Registers ）：16位，只读
4. 保持寄存器（Holding Registers）：16位，读写
Modbus协议版本
Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。
对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。Modbus RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，Modbus ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信（serial communication）方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信，反之亦然。
对于通过TCP/IP（例如以太网）的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和计算。
对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不同的。
Modbus有一个扩展版本ModbusPlus（Modbus+或者MB+），不过此协议是Modicon专有的，和Modbus不同。它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线，并且每个节点都有转换隔离装置，是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口，通常是支持ISA（SA85），PCI或者PMCIA总线的板卡。所以当提及Modbus协议时，要确定是哪种模式，不同的模式之间区别还是很大的。
Modbus数据帧格式
首先要知道一帧正常的MODBUS数据帧包含的内容有：地址域 + 功能码 + 数据 + 差错校验，再者无论是上述哪种协议版本，Modbus帧格式都是一样的：
主要包括：
1. 地址域：即主站要访问的从站地址，其范围0~247
2. 功能码：即主站想要对从站进行何种操作。
3. 数据：如果主站的请求是读数据，那么该“数据”要包含的信息有：从哪里开始读数据 + 读多少数据。如果主站的请求是向从站写数据，那么该“数据”要包含的信息有：从哪里开始写数据 + 写多少个字节数据 + 要写的具体数据。
4. 差错校验：为了保证数据传输的正确性，Modbus协议会在数据帧最后面加上两个字节的差错校验。
Modbus功能码
Modbus功能码，是写在主机请求数据帧中的，决定主机进行读还是写操作，是读线圈、离散量还是寄存器，是写单个寄存器还是多个寄存器等等，决定主机请求什么类型的数据。
主要包括3类功能码：公共功能码、用户定义功能码和保留功能码
1. 公共功能码
是较好地被定义的功能码
保证是唯一的
MODBUS组织可改变的
公开证明的
具有可用的一致性测试
MB IETF RFC中证明的
包含已被定义的公共指配功能码和未来使用的未指配保留供功能码
2. 用户定义功能码
有两个用户定义功能码的定义范围， 即65至72和十进制100至110
用户没有 MODBUS 组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码
不能保证被选功能码的使用是唯一的
如果用户要重新设置功能作为一个公共功能码，那么用户必须启动 RFC，以便将改变引入公共分类中，并且指配一个新的公共功能码。
3. 保留功能码
·一些公司对传统产品通常使用并且对公共使用是无效的功能码。
实际最常用的是公共功能码中的4个功能码：03/04/06/10
0x03：读多个保持寄存器
0x04：读输入寄存器
0x06：写单个保持寄存器
0x10：写多个保持寄存器
因为PLC主要控制的是继电器触点，所以在PLC上还会经常对线圈（Coils）进行读写。这里需要特别注意的一点是：写保持寄存器，需要区分0x06写单个寄存器和0x10写多个寄存器，而读保持寄存器不区分读单个和读多个，当需要读单个保持寄存器时，也是使用0x03指令，指定读取数量为1。
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