Modbus 通讯协议（超详细，简单易懂）

目录

一、协议中的寄存器定义

二、协议概述

三、使用串口的Modbus 报文帧

​编辑 3.1、Modbus ASCII 模式

 3.2、Modbus RTU 模式

3.3、功能码概要

 3.4、Modbus 报文分析

四、什么是RS-485 RS-232？

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一、协议中的寄存器定义

阅读 Modbus 协议时会发现它的概念别扭、重复、不易区分，比如线圈 状态（Coil Status）、离散输入状态（Discrete Input Status）、保持寄存器（Holding Register）、输入寄存器（Input Register）。

但是对于软件而言，其实不难理解：

1. 想得到按键输入状态时，读取到的是一位数据；
2. 想控制 LED 时，需要输出一位数据，想读取 LED 当前状态时，也可以读取到一位数据
3. 想读取参数时，读取到的“输入寄存器”，得到多位数据，比如 16 位数据
4. 想设置参数时，写的是“保存寄存器”，写入的是多位数据，比如 16 位数据；也可以 读“保存寄存器”

        各种寄存器名字花里胡哨的，其实最大区别就是有的可读可写，有的只可读，还有就是可操作的位数量不一样！ 有的是位操作，有的是多位操作（在 Modbus 中，多位操作时都是 16 位（2bytes）的）。

• bit 操作涉及的寄存器有 2 类：线圈状态（可读可写）、离散输入状态（只读）
• 16bit 操作的寄存器有 2 类：保存寄存器（可读可写）、输入寄存器（只读）

寄存器种类	说明
线圈状态	输出端口。可设定端口 输出状态，也可以读取该位 的输出状态。
离 散 输入状 态	输入端口。通过外部设 定改变输入状态，可读但不 可以写
保 持 寄 存 器	输出参数或保持参数， 控制器运行时被设定的某些 参数，可读可写
输 入 寄 存 器	输入参数。控制器运行 时从外部设备获得的参数， 但可读不可写

一个设备里，可能有多个“线圈状态”、多个“离散输入状态”、多个“保存寄存 器”、多个“输入寄存器”。怎么知道这个寄存器是哪类寄存器呢？

在Modbus 中它们都是有区号的，全称为 存储区代号

序号	读写	储存类型	储存区名称	区号
1	只读	bit类型	离散型	1
2	读写	bit类型	线圈	0
3	只读	16bit类型	输入寄存器	3
4	读写	16bit类型	保持寄存器	4

存储区范围：

① 无论是什么存储区，都会有一个范围的限制；Modbus 的每个存储区也规定了一个范围， 不能无限制使用。

② Modbus 规定每个存储区的最大范围是 65536，也就是 0~65535。

协议地址模型

PLC 地址是我们常见的，但它是怎么组成的的，它是由存储区代号 + 地址组成，我们把这样的地址称为绝对地址，把后面的地址成为相对地址；而我们的 Modbus 地址跟 PLC 地 址也是类似的；

Modbus 地址公式：存储区代号 + （地址 + 1） 如下表所示：

温馨提示：离散型也被称为输入线圈，因此线圈就称为输出线圈以此区分两者。

长地址模型：

但是这么多的地址，现实中我们根本用不完，所以就有了短地址模型 ：

二、协议概述

简而言之,Modbus 协议是一种单主/多从的通信协议,其特点是在同一时间总线上只能 有一个主设备,但可以有一个或者多个(最多 247 个)从设备。Modbus 通信总是由主设备发 起,当从设备没有收到来自主设备的请求时，从设备不会主动发送数据。从设备之间不能相 互通信,主设备只能同时启动一个 Modbus 访回事务处理。 主设备可以采用两种方式向从 设备发送 Modbus 请求报文，即主设备可以对指定的单个从设备或者线路上所有的从设备 发送请求报文，而从设备只能在被被动接收请求报文后给出响应报文，即应答。这两种模 式分别如下图所示：

它和IIC协议一样都是多从，但是IIC只能和单一丛机联系，但是 Modbus 不一样，他有单播模式和广播模式。

单播模式：

单播模式。主设备仅仅 寻址单个从设备 ,从设备接收并处理请求后,向主设备 返回一个响应报文,即应答 。在这种模式下,一个 Modbus 事务处理包含两个报文:一个是主设备的请求报文,另一个是从设备的响应报文。

每个从设备必须有唯一的地址 (地址范围为 1~247) ,这样才能区别于其它从设备,从而可以独立被寻址，同时主设备不占用地址。

广播模式：

广播模式。此种模式下,主设备可以向所有从设备发送请求指令，而从设备在接收到广播指令后仅进行相关指令的事务处理，而不要求返回应答。因此广播模式下,请求指令必须是 Modbus 标准功能中的写指令。

根据 Modbus 标准协议的要求,所有从设备必须接收广播模式下的写指令，且地址 0 被保留,用来识别广播通信

Modbus协议说明： 

Modbus诞生于1979年 莫迪康公司 后来被施耐德电气公司收购。Modbus提供通用语言用于彼此通信的设备和设备。
Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议

最简单的说，Modbus就是一个总线通信协议，像IIC SPI这种，但是他不依赖于硬件总线

Modbus之所以使用广泛，是有他的优点的

• Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求
• Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等
• Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络

 

三、使用串口的Modbus 报文帧

        一个报文就是一帧数据，一个数据帧就一个报文： 指的是一串完整的指令数据，本质就是一串数据。

        Modbus 报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机的地址，主机想执行的操作，校验码等内容

Modbus 使用串口中一共有两种模式：Modbus ASCII 模式和Modbus RTU 模式，常用的就是Modbus RTU 模式，Modbus ASCII 模式了解一下即可！

 3.1、Modbus ASCII 模式

        当控制器设为在 Modbus 网络上以 ASCII 模式通信时,在消息中每个 8 位(b)字节都将作 为两个 ASCII 字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间可隔可达到 1 秒且不产生 错误。

        在 ASCII 模式下,消息 以冒号(:)字符(ASCII 码为 0x3A) 开始， 以回车换行奇结束 (ASCII 码为 0x0D、0x0A) 。消息的其他字段(域)可以使用的传输字符是十六进制的 0···9、 A··· F。处于网络上的 Modbus 设备不断侦测 “ ：”字符,当接收到一个冒号时,每个设备进 入解码阶段,并解码下一个字段(地址域)以判断是否是发给自己的。消息帧中的字符间发送 的时间间隔最长不能超过 1 秒,否则接收设备将认为发生传输错误。

需要注意的是，在消息中的每个字节都作为两个ASCII字符发送

十六进制的0-F 分别对应ASCII字符的0…9，A…F，也就是0x30~0x3A 0x41~0x46

 3.2、Modbus RTU 模式

Modbus 协议 RTU 报文格式如下所示：

 帧结构 = 从机地址 + 功能码 + 数据 + 校验

        从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围 0-255,其中有效范围是 1-247, 其中 255 是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)

        功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从 机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.

        数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询 数据的地址和查询字节数等。

        校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC 检验检测接收的数据是否正确

3.3、功能码概要

Modbus 标准在协议中规定了以下 3 类 Modbus 功能码。

 公共功能码：

1. 被明确定义的功能码；
2. 保证唯一性；
3. 由 Modbus 协会确认，并提供公开的文档；
4. 可进行一致性测试；
5. 包括协议定义的功能码和保留将来使用的功能码。

用户自定义功能码：

1. 有两个用户自定义功能码区域，分别是 65~72 和 100~110;
2. 用户自定义，无法保证唯一性。

保留功能码：

保留功能码因为历史遗留原因，某些公司的传统产品现行使用的功能码不作为公共使用。

常见功能码：

 3.4、Modbus 报文分析

这里我们就主要分析RTU模式就好了，因为这个模式最常用！

读取保存寄存器报文解析：

我们点击Display查看接收的信息的格式： 如果忘记报文帧可以回头看看：帧结构 = 从机地址 + 功能码 + 数据 + 校验

其中数据包括起始地址+寄存器数量的高低位： 我们是从0开始一次性读取10个寄存器，所以起始地址高低位都为00，而A对应的就是10.

那么丛机回应的信息格式：

需要关注的是字节数，因为保存寄存器都是16位的，假如有N个寄存器，所以对应的字节数量就是2N个字节，这里有10个寄存器，所以就会有20个字节，HEX14对应的就是DEC的20。

后面的就是每个寄存器的高低位和CRC校验位了。

温馨提示：如果是线圈，每个寄存器都是一位，所以答应报文中的字节数需要将寄存器数N/8，然后如果有余数家需要+1.

例：有9个线圈寄存器，9/8=1......1，所以需要+1，所以就需要两个字节。

四、什么是RS-485 RS-232？

我们在看Modbus的时候，经常会看到485串口，232串口，这些是什么呢？

RS232，RS485是一种电平标准

数据在通信双方之间传输，本质是传输物理的电平 比方说传输5V的电压 -1V的电压信号，这些物理信号在传输过程中会受到很多干扰，比方说你传输一个5V的电压，到了接收端可能就变成了4.8V，并且通信的双方高低电平的参考电压可能不同。

那么这个时候就需要一个电平标准，来判断多少V的电压是高电平 1，多少V的电压是低电平 0 这就诞生了 RS-485 RS-232

RS232：是电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 制定的异步传输标准接口，同时对应着电平标准和通信协议（时序），其电平标准：+3V～+15V对应0，-3V～-15V对应1。

• 全双工
• 逻辑1：-15V–5V
• 逻辑0：+3V–+15V

RS485：RS485是一种串口接口标准，为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，抗干扰能力比RS232强很多。两线压差为-2~-6V表示0，两线压差为+2~+6V表示1

• 半双工
• 逻辑1：+2V~+6V
• 逻辑0： -2V~ -6V

注意485的电平指的是485-A和485-B两根传输线，两线间的电压差。而不是传输线上的电压