Modbus协议介绍
Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气）在1979年为可编程逻辑控制器（PLC）通信而开发。它是工业自动化领域最常用的通信协议之一，具有开放性、简单性和跨平台兼容性，广泛应用于工业设备、楼宇自动化、电力系统等场景。 Modbus协议还遵循主从协议，支持单主机，多从机，最多支持247个从机设备。
一、Modbus协议基础特性
1. 物理层与传输模式
物理接口：支持串口（RS-232、RS-485）和以太网（Modbus TCP）。
传输模式：
ASCII模式：消息以ASCII字符形式传输，每个字节包含两个ASCII字符（如`0x1F`表示为`31 46`），适合低速率通信。
RTU模式：消息以二进制形式传输，每个字节直接编码数据，效率更高，是最常用的模式。
以太网扩展**：Modbus TCP基于TCP/IP协议，使用502端口，简化了网络部署。
2. 通信方式
主从架构：一个主设备（Master）发起通信，多个从设备（Slave）响应，从设备地址范围为1~247。
请求-响应机制：主设备发送请求，从设备根据请求返回数据或执行操作。从机不会主动进行数据的发送，从机之间也不会有通讯过程。
3. 数据模型
Modbus将设备数据抽象为四种基本寄存器类型：
二、Modbus协议数据帧格式
1. RTU模式数据帧
帧结构：
[从机地址(1B)] [功能码(1B)] [数据(0~252B)] [CRC校验(2B)]
功能码（Function Code）：标识操作类型，常见功能码：
2.TCP模式数据帧
在RTU帧基础上增加MBAP（Modbus Application Protocol）头：
[事务标识符(2B)] [协议标识符(2B,固定0)] [长度(2B)] [从机地址(1B)] [功能码(1B)] [数据(nB)]
事务标识符**：用于匹配请求和响应，由主设备生成。
三、Modbus通信流程示例
1. 主设备读取从设备温度值（HR寄存器）
请求：
主→从：[从机地址=1] [功能码=03] [起始地址=0x0001] [寄存器数量=1]
响应：
从→主：[从机地址=1] [功能码=03] [字节数=2] [温度值=0x012C(300)]
解析：温度值为300，假设分辨率为0.1℃，则实际温度为30.0℃。
示例指令：
请求：01 01 00 00 00 0A BC 0D
含义:从机设备地址（01）+ 功能码（01）+ 起始寄存器完整地址（00 00）+ 线圈数量（00 0A）+ CRC16校验码（BC 0D）
解释：从地址为1的从机读取寄存器开始地址为1，连续读10个线圈。
应答：01 01 02 FF 03 B8 0D
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（01）+ 数据字节数（02） + 读取到的数据内容（FF 03）+ CRC16校验码（B8 0D）
解释：从地址为1的从机中读取到两个字节的数据，读出的内容是FF 03。
2. 主设备控制从设备继电器（Coil）
请求（闭合继电器）：
主→从：[从机地址=2] [功能码=05] [线圈地址=0x0002] [值=0xFF00(ON)]
响应（成功）：
从→主：[从机地址=2] [功能码=05] [线圈地址=0x0002] [值=0xFF00]
四、Modbus协议优缺点
优点：
1. 简单易用：协议设计简洁，实现成本低，适合嵌入式系统。
2. 开放性：无专利限制，免费使用，支持多种硬件平台。
3. 跨平台兼容性：从单片机到工业PC均可实现，支持多种物理层。
4. 广泛支持：几乎所有工业设备都提供Modbus接口（PLC、传感器、驱动器等）。
缺点
1. 安全性弱：无加密机制，不适合安全敏感场景（需通过VPN等外部手段增强）。
2. 单主架构限制：同一网络中只能有一个主设备，扩展性有限。
3. 效率问题：每次通信需等待响应，不适合高并发场景。
4. 数据量限制：单次请求最多传输253字节数据，大数据量需分批传输。
五、Modbus协议变种与扩展
1. Modbus RTU/ASCII：基于串口的原始协议，使用CRC校验。
2. Modbus TCP：基于以太网，使用MBAP头代替CRC校验，性能更高。
3. Modbus PLUS：施耐德电气 proprietary 版本，支持多主架构，速率更高（1Mbps）。
4. Modbus UDP：基于UDP协议，轻量但不可靠，适合实时性要求高的场景。
5. Modbus over TLS：在TCP基础上增加TLS加密，提升安全性（如工业物联网场景）。
六、Modbus应用场景
1. 工业自动化：PLC与传感器/执行器通信，如生产线监控、机器人控制。
2. 楼宇自动化：HVAC系统、电梯控制、照明管理。
3. 电力系统：电表数据采集、变电站监控、分布式能源管理。
4. 智能交通：充电桩与电网通信、交通信号灯控制。
5. 物联网（IoT）：边缘设备与云端平台数据传输（通过网关转换协议）。
七、Modbus实现注意事项
1. 错误处理：需处理超时、CRC校验失败、异常响应（功能码+0x80）等情况。
2. 通信参数配置：主从设备波特率、奇偶校验、停止位必须一致。
3. 网络拓扑：RS-485网络需注意终端电阻匹配、总线长度限制（通常≤1200米）。
4. 性能优化：合理批量读取数据，减少请求次数；避免长耗时操作阻塞通信。
八、CRC16校验参考代码
//CRC校验
void CRC_Checkout_16(uint8_t *p_data,uint32_t data_len,uint8_t *data_crc) {
uint16_t wcrc = 0xFFFF;
uint8_t temp;
uint32_t i=0,j=0;
for(i=0;i<data_len;i++)
{
temp = *p_data & 0X00FF;
p_data++;
wcrc = wcrc^temp;
for(j=0;j<8;j++)
{
if(wcrc & 0X0001)
{
wcrc>>=1;
wcrc^=0XA001;
}
else
{
wcrc>>=1;
}
}
}
temp=wcrc;
data_crc[0]=wcrc;
data_crc[1]=wcrc>>8;
return ;
}