Modbus协议介绍

Modbus协议介绍

简介

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司(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。

类型

Modbus协议属于应用层的报文传输协议，Modbus协议本身是个比较泛的说法，它有三种类型，分别是Modbus ASCII，Modbus RTU，Modbus TCP/IP，三者的协议并不相同，但有类似的地方，所以说Modbus协议时，最好说这三种类型中的一种

Modbus数据模型

数据模型是对可访问数据的一种抽象，Modbus协议的数据模型定义了四种可访问的数据，分别是:

既然数据模型是一种抽象，在实际使用时必须将其映射到真实的物理存储区才能被访问。

Modbus协议允许设备将四种数据分别映射到不同的存储区块中，各个区块之间相互独立，使用不同的功能码可读取到不同的数值，如下图所示:

Modbus协议也允许设备将四种数据映射到同一存储区块中，这样通过不同的功能码读取数据可能会得到相同的数据(比如:输入寄存器和保持寄存器为同一物理区块)，如下图所示:

线圈：因为Modbus最初是为PLC服务的，所以线圈是PLC相关的术语，实际上就可以类比为开关量（继电器状态），每一个bit对应一个信号的开关状态，要么是1，要么是0；所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈和写多个线圈；

离散输入：如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。

保持寄存器：这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读写的。一般对应参数设置，比如我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写。

输入寄存器：这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写，一般是读取各种实时数据。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值。

规律：

输入：表示这个存储区只能读，不能写；

其余的则可读可写

注意：网上的资料对Modbus数据模型这一部分的介绍各不相同，一开始看这部分资料时被搞得乱七八糟，为什么同一种东西会有这么多不同的说法，无奈把说法不同但却是同一种东西汇总一下：

线圈 = 输出线圈 = 开关量输出 = 位状态

离散量输入 = 输入线圈 = 开关量输入

保持寄存器 = 输出寄存器 = 寄存器

Modbus数据模型 = PLC存储区

Modbus地址模型

也就是真实的物理存储区

存储区范围：分为5位和6位，对应了标准地址和扩展地址；如果使用的是5位标准地址，则4种存储区分别用5位地址中的首位来区分，如线圈是0，离散量是1，输入寄存器是3，保持寄存器是4，剩下的4位就从1 ~ 9999开始编址，表示一片连续的地址

有些设备是6位的地址，编址方法跟5位的类似，只不过地址最大只能到65536

数据模型	地址前缀标号	5位	6位	访问方式
线圈	0	00001 ~ 09999	000001 ~ 065536	读/写
离散量输入	1	10001 ~ 19999	100001 ~ 165536	只读
输入寄存器	3	30001 ~ 39999	300001 ~ 365536	只读
保持寄存器	4	40001 ~ 49999	400001 ~ 465536	读/写

通讯信息传输过程

通信的本质其实就是要么我说，你听，要么你说，我听，那应用到主机与从机之间时，就是要么主机往从机写入数据，要么主机往从机读取数据。

当通讯命令由发送设备（主机）发送至接收设备（从机）时，符合相应地址码的从机接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息，如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果（数据）返送给主机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。

地址码

地址码是每次通讯信息帧的第一字节（8位），从0到247。其中0为广播地址，从机的实际地址范围为 1 ~ 247；这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送信息。当从机回送信息时，回送数据均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机返回的地址码表明回送的从机地址。相应的
地址码表明该信息来自于何处。

功能码

对存储区的操作有：读和写，分别有以下的组合，再给这些操作编个号，就是功能码

功能码是每次通讯信息帧传送的第二个字节。ModBus通讯规约可定义的功能码为1到127。有些PLC器件仅用到其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机应执行什么动作。作为从机响应，从机返回的功能码与从主机发送来的功能码一样，就表明从机已响应主机并且已进行相关的操作。

数据区

数据区包括需要由从机返送何种信息或执行什么动作。这些信息可以是数据（如︰开关量输入/输出、模拟量输入/输出、寄存器、参考地址等。例如，主机通过功能码03告诉从机返回寄存器的值（包含要读取寄存器的起始地址及读取寄存器的长度），则返回的数据包括寄存器的数据长度及数据内容。对于不同的从机，地址和数据信息都不相同

CRC校验

主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否正确。由于电子噪声或一些其它干扰，信息在传输过程中有时会发生错误，错误校验码(CRC)可以检验主机或从机在通讯数据传送过程中的信息是否有误，错误的数据可以放弃（无论是发送还是接收），这样增加了系统的
安全和效率。

MODBUS 通讯协议的CRC(冗余循环码)包含2个字节，即16位二进制数。CRC码由发送设备(主机)计算，放置于发送信息帧的尾部。接收信息的设备(从机)再重新计算接收到信息的CRC，比较计算得到的CRC是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。

CRC校验码可用一些工具计算出，在软件编程中一般用查数组的方式

报文格式

Modbus RTU报文格式：从机地址（设备编号）+ 功能码 + 数据 + 校验 （只要是Modbus协议，都遵循这样的报文格式，其中数据是个泛指，还分为读取和回应两种不同的数据）

读单个或多个线圈（位状态）

主机发送：从机地址 01 起始地址 读取数据个数 CRC校验

从机返回：从机地址 01 读取到的数据长度 数据DATA1…DATAN CRC校验

写单个线圈（位状态）

主机发送：从机地址 05 起始地址 要写入的数据 CRC校验

从机返回：从机地址 05 起始地址 写入的数据 CRC校验

写数据时，从机返回的数据与主机发送的数据一样

实际例子

读单个或多个线圈（开关量）

例如︰主机要读取地址为01，开关量DO1，DO2的输出状态。从机数据寄存器的地址和数据为︰

起始位地址	D0寄存器数据（16进制）	备注
0000	02	DO2输出状态为1，DO1输出状态为0

主机发送的报文格式：

主机发送	字节数	发送的信息	备注
从机地址	1	01	发送至地址为01的从机
功能码	1	01	读开关量输出状态
起始地址	2	0000	起始位地址为0000
读数据长度	2	0002	读取两个开关量状态
CRC码	2	BDCB	由主机计算得到CRC码

从机响应返回的报文格式：

从机响应	字节数	返回的信息	备注
从机地址	1	01	来自从机01
功能码	1	01	读开关量输出状态
数据长度	1	01	1个字节（8个bit位）
D0状态数据	1	02	D0寄存器内容
CRC码	2	D049	由从机计算得到CRC码

写单个保持寄存器

例如∶主机要把数据07D0，保存到地址为002C的从机寄存器中去(从机地址码为01)。

主机发送的报文格式：

主机发送	字节数	发送的信息	备注
从机地址	1	01	发送至地址为01的从机
功能码	1	06	写单个保持寄存器
起始地址	2	002C	要写入的寄存器地址
写入数据	2	07D0	写入的新数据
CRC码	2	4BAF	由主机计算得到的CRC码

从机响应返回的报文格式:

与主机发送的报文格式及数据内容完全相同。

注意：主机发送的报文数据中，寄存器的起始地址是相对地址，像002C是相对40001来说的，00001、10001这些是绝对地址；

通过相对地址算出绝对地址要先确定数据模型的地址，如读保持寄存器，起始地址是006B，那006B是107，对应的地址就是40108，

如果是输入寄存器，起始地址也是006B，那对应的地址就是30108

可挂载的设备数量

首先在485总线上，MODBUS RTU协议理论是可以挂200+台设备，但实际应用中，由于阻抗等原因，一般是32台，除去自身的话，就是31台。

​ RS485总线可以连接256个设备，但测试后发现这个数字有比较大的差异。有一种说法认为专门开发串行嵌入式的RS485总线只能连接32个节点，这由自身的驱动能力决定的。有人说网上的各种485总线产品可以支持128个，也有人说可以支持256个，甚至高达400个，那么RS485转换器到底支持多少个？

485通信中的一个串行端口能控制多少台设备的问题，由485网络中的电特性和协议特性决定。电特性就是，为了保证485网络中的特征阻抗在允许范围内，应该是120欧姆左右，因为连接的设备越多特征阻抗越小，所以在485网络中一般是120欧姆的终端，同时保证信号的衰减在允许的范围内。因此，有长距离传输和中继的情况。协议特性是在485网络上传输的协议支持的地址范围，Modbus应该是32个，能连接31个设备。

连接方式

RS-485连接采用菊花链方式连接，而不能采用星型网络拓扑