一文看懂Modbus协议

Modbus协议，首先，从字面上理解它包括它Mod和Bus首先，它是两部分之一bus，即总线协议，和I2C、SPI类似地，总线意味着在同一总线上有主机和从机。

Modbus支持单主机，多个从机，最多247个从机设备。Mod，因为该协议最早用于PLC在控制器中，准确地说是Modicon公司的PLC这也是控制器Mod-Bus名字的由来。

Modbus根据协议，读写操作的数据类型可分为以下四类：

1979年，Modicon 首先推出串行Modbus1997年，由于网络的普及，需要更高的传输速度。TCP网络的Modbus标准。

因此，它可以分为两种传输方式：基于串行链路的和基于以太网TCP/IP是的。但我个人习惯分为三种传输

• 基于串口的Modbus-RTU

  根据标准串口协议编码数据是应用最广泛的一种Modbus协议，采用CRC-16_Modbus校验算法。

• 基于串口的Modbus-ASCII

  所有数据都是ASCII格式，一个字节的原始数据需要两个字符来表示，效率低，使用LRC校验算法。

• 基于网口的Modbus-TCP

  Modbus-TCP基于TCP/IP协议，占用502端口，数据帧主要包括两部分：MBAP（报文头） PDU(帧结构)，数据块与串行链路一致。

所以当我们提到的时候Modbus确定协议中的模式：RTU、ASCII或TCP，三种模式差别很大。

有些设备支持多种设备Modbus有些设备只支持其中一种，比如最常用的模式PLC S7-200只支持Modbus RTU协议，不支持Modbus ASCII协议，Modbus总线上的所有设备传输方式必须相同。

根据设备使用手册选择实际使用的模式。

Modbus功能码写在主机请求数据帧中，决定主机是读还是写，是读线圈、离散还是寄存器，是写单个寄存器还是多个寄存器等。，并决定主机要求什么类型的数据。

主要包括三类功能码：公共功能码、用户定义和保留功能码

公共功能码中最常用的四个功能码是03/04/06/10

• 0x03:阅读多个保持寄存器
• 0x读输入寄存器
• 0x06:写一个单独的寄存器
• 0x10:写多个维持寄存器

无论哪一种是三种传输模式，Modbus帧格式相同：

主要包括：

• 地址：1字节，即从机设备地址，通常1-247为有效地址，0为广播地址
• 功能码：1字节，表明主机请求数据的类型。
• 数据：N字节，
• 错误验证：冗余验证数据的结果，CRC或LRC

下面详细介绍每种传输模式的数据帧格式。

Modbus-RTU由以下四部分组成：

1. 子节点地址：1字节，0-247范围
2. 功能代码：1字节
3. 数据块：0-252字节
4. CRC校验值：2字节，低8位在前

Modbus-RTU帧间隔，Modbus-RTU要求两个RTU报文帧间隔应大于3.五字节时间：

每个报文帧的字节间隔小于1.5个字节时间，否则会认为接收不完整。

Modbus-RTU采用循环冗余校验 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法计算报文帧的所有数据，获得的校准值附加在报文帧末尾，低位在前面。CRC-16_Modbus可参考计算方法：CRC-16_Modbus校验算法

实际请求/应答交互示例：

示例1：写一个寄存器。01地址设备0x0105将寄存器写入一个数据：0x0190

主机发送： 01 06 01 05 01 90 99 CB 从机回复： 01 06 01 05 01 90 99 CB 

01表示从机地址，06功能码表示写单个保持寄存器，0105表示寄存器地址，0190表示写入寄存器的数值，99CB为CRC校验值。可以看出，当写1个寄存器数据时，从机响应的数据帧和主机发送的数据帧完成一致。

示例2：写多个寄存器。向01地址设备0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器，写入3个寄存器数据：0x1102, 0x0304, 0x0566

主机发送：01 10 01 05 00 03 06 11 02 03 04 05 66 4a 12
从机回复：01 10 01 05 00 03 91 f5

同理，01从机地址，10功能码表示写多个保持寄存器，0105表示起始地址，0003表示写3个寄存器，06表示数据量为6个字节，1102/0304/0566分别表示写入3个寄存器的数值，4a12表示CRC校验数值。

可以看出，写多个寄存器时使用10功能码，从机回复数据也比较精简。

示例3：读单个寄存器。读01地址设备0x0105保持寄存器数据。

主机发送：01 03 01 05 00 01 95 f7
从机回复：01 03 02 56 78 87 c6

03表示读多个寄存器，0105表示起始地址，0001表示读1个寄存器

02表示2个字节，56 78表示寄存器的数据。

示例4：读多个寄存器。读01地址设备0x0105、0x0106、0x0107地址保持寄存器，共3个寄存器数据。

主机发送：01 03 01 05 00 03 14 36
从机回复：01 03 06 11 22 33 44 55 66 2a 18

03表示读多个寄存器，0105表示起始地址，0003表示读3个寄存器

06表示6个字节，11 22 33 44 55 66表示寄存器的数据。

Modbus-ASCII传输模式中，每个字节均以ASCII编码，实际报文中1个字节会以两个ASCII字符发送，因此这种模式比Modbus-RTU模式效率要低。例如报文数据0x5B = "5" + "B" = 0X35 + 0X42。

数据帧格式如下：

从ASCII报文帧可以看出，ASCII模式增加了帧起始（“：”）和帧结束标志（回车&换行），由于报文数据每个字节在ASCII模式下需要2个字符进行编码，为了保证ASCII模式和RTU模式在应用级兼容，ASCII模式数据块最大长度为252x2，所以可以计算出报文帧最大长度为1+2+2+2x252+2+2=513字符，报文帧内的字符间隔时间可以达1秒钟。

Modbus-ASCII模式校验方法采用的是纵向冗余校验 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking) 算法，校验内容不包括帧起始和帧结束字符。

计算方法也比较简单，对校验内容进行累加和计算，忽略进位，并转换为二进制补码：

例如Modbus-ASCII模式，主机发送请求，向地址为1的从设备的0x405地址，写入数值0x1234，报文如下：

:010604051234AA<CR><LF>

即：

: 01 06 04 05 12 34 AA <CR><LF>

可以看到01表示设备地址，06表示写单个保持寄存器。地址为0x0405，数据为0x1234，LRC校验值为0xAA。实际进行校验的数据不包含帧头和帧尾。

0xAA = LRC(01, 06, 04, 05, 12, 34)。

手动LRC计算方法：

把原始数据两个字符组成一个字节，并进行二进制加法计算：01+06+04+05+12+34=0x56，计算二进制补码：

0x56 = 0101 0110
  取反：1010 1001
  加1： 1010 1010 = 0xAA
或者：0x100-0x56 = 0xAA

Modbus-TCP基于4种报文类型：

• MODBUS 请求

  是客户机在网络上发送用来启动事务处理的报文

• MODBUS 证实

  是在客户端接收的响应信息

• MODBUS 指示

  是服务端接收的请求报文

• MODBUS 响应

  是服务器发送的响应信息

Modbus-TCP报文帧：

更多的细节内容，可以在国标《GB-T19582.1-2008 第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》查看。

Modbus协议中主机可以以两种模式对从机设备发出请求：单播和广播。

在单播模式下，从机地址必须唯一，地址范围1-247。主机以特定地址访问指定的某个从机，发出一个请求数据帧，这个数据帧功能可以是读取或写入数据，从机接收到并处理完成后，会回报一个应答数据帧，以表示读取或写入成功。

在广播模式下，主机向所有的从机发出请求数据帧，所有的从机都会处理这条命令，对于广播请求，所有的从机无需做出应答操作。一般地址0表示广播地址。

但也有一些特殊的设备采用0xFE作为广播地址，以一款气体传感器数据手册为例，以0xFE作为广播地址，来进行设备地址修改：

所以要以实际设备的使用手册为准。

Modbus 是使用异步传输的方式，速度较慢，应用上有其限制，尤其当两台 PLC 要互相交换资料，其传输资料量大，异步方式已经无法满足整体系统反应时间的要求。所以就有 Modbus Plus 出现，使用同步传输的技术，资料格式与 Modbus 一样，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设备，是一种采用边沿触发而不是电平触发的设备。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PCMCIA总线的板卡。

目前比较权威主要有以下2个标准文档：

1. Modbus组织2012年4月发布的：modbus_application_protocol_specification_v1.1b3.pdf

2. 国家标准**《基于Modbus协议的工业自动化网络规范 GB-T19582.1-2008.pdf》**，主要包括3部分

• GB-T19582.1-2008第1部分：Modbus应用协议
• GB-T19582.1-2008第2部分：Modbus协议在串行链路上的实现指南
• GB-T19582.1-2008第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南