Modbus RTU/TCP 协议详解与Spring Boot集成指南
目录
Modbus协议基础概念
什么是Modbus
主要变种
基本数据模型
Modbus RTU详解
协议特点
帧结构
常用功能码
通信流程
Modbus TCP详解
协议特点
帧结构
与RTU的区别
Spring Boot集成Modbus RTU
依赖配置
配置类
服务类实现
控制器示例
Spring Boot集成Modbus TCP
依赖配置
配置类
连接池管理
服务类实现
控制器示例
实际应用案例
数据采集服务
配置文件示例
最佳实践与注意事项
性能优化
错误处理
安全考虑
通用注意事项
调试技巧
Modbus协议基础概念
什么是Modbus
Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气）于1979年发布。它是工业自动化领域中最常用的通信协议之一，具有以下特点：
- 开放性：免费使用，无需许可证
- 简单性：易于实现和维护
- 可靠性：具有错误检测机制
- 广泛支持：几乎所有PLC和工业设备都支持
主要变种
- Modbus RTU：基于RS232/RS485串行通信
- Modbus TCP：基于以太网TCP/IP通信
- Modbus ASCII：基于ASCII编码的串行通信
基本数据模型
Modbus定义了四种基本数据类型：
| 数据类型 | 地址范围 | 访问权限 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 线圈 (Coils) | 00001-09999 | 读/写 | 单比特，输出类型 |
| 离散输入 (Discrete Inputs) | 10001-19999 | 只读 | 单比特，输入类型 |
| 输入寄存器 (Input Registers) | 30001-39999 | 只读 | 16位，输入类型 |
| 保持寄存器 (Holding Registers) | 40001-49999 | 读/写 | 16位，输出类型 |
Modbus RTU详解
协议特点
- 传输方式：串行通信（RS232/RS485）
- 数据格式：二进制
- 错误检测：CRC16校验
- 传输效率：相对较高（二进制格式）
帧结构
Modbus RTU帧结构如下：
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| 设备地址 | 功能码 | 数据域 | CRC校验 | 间隔 |
| 1 byte | 1 byte | N bytes | 2 bytes | 3.5字符 |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
详细说明：
- 设备地址（1字节）：从站设备地址，0为广播地址，1-247为有效设备地址
- 功能码（1字节）：指定要执行的操作类型
- 数据域（可变长度）：包含请求/响应的具体数据
- CRC校验（2字节）：循环冗余校验，用于检测传输错误
- 静默间隔（3.5字符时间）：帧之间的最小间隔
常用功能码
| 功能码 | 十六进制 | 功能描述 | 操作对象 |
|---|---|---|---|
| 01 | 0x01 | 读线圈状态 | 线圈 |
| 02 | 0x02 | 读离散输入状态 | 离散输入 |
| 03 | 0x03 | 读保持寄存器 | 保持寄存器 |
| 04 | 0x04 | 读输入寄存器 | 输入寄存器 |
| 05 | 0x05 | 写单个线圈 | 线圈 |
| 06 | 0x06 | 写单个寄存器 | 保持寄存器 |
| 15 | 0x0F | 写多个线圈 | 线圈 |
| 16 | 0x10 | 写多个寄存器 | 保持寄存器 |
通信流程
- 主站发送请求：主站构造请求帧并发送给从站
- 从站接收处理：从站接收帧，校验CRC，解析功能码
- 从站响应：从站执行操作并返回响应帧
- 主站接收响应：主站接收响应，校验CRC，解析数据
Modbus TCP详解
协议特点
- 传输方式：以太网TCP/IP
- 数据格式：二进制
- 错误检测：依赖TCP协议的校验机制
- 传输效率：网络传输，速度快
帧结构
Modbus TCP在RTU基础上添加了MBAP头：
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| 事务ID | 协议ID | 长度域 | 单元ID | 功能码 | 数据域 |
| 2 bytes | 2 bytes | 2 bytes | 1 byte | 1 byte | N bytes |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| MBAP头部 | PDU部分 |
详细说明：
- 事务ID（2字节）：用于匹配请求和响应
- 协议ID（2字节）：Modbus协议标识符，通常为0
- 长度域（2字节）：后续数据的字节数
- 单元ID（1字节）：目标设备标识符
- 功能码（1字节）：与RTU相同的功能码
- 数据域（可变长度）：实际的数据内容
与RTU的区别
- 无CRC校验：TCP层提供错误检测
- 添加MBAP头：提供事务管理和路由信息
- 网络传输：基于以太网，支持远程通信
- 并发连接：支持多个客户端同时连接
Spring Boot集成Modbus RTU
依赖配置
在pom.xml中添加必要依赖：
<dependencies><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter</artifactId></dependency><!-- Modbus4j库 --><dependency><groupId>com.infiniteautomation</groupId><artifactId>modbus4j</artifactId><version>3.0.3</version></dependency><!-- 串口通信库 --><dependency><groupId>org.scream3r</groupId><artifactId>jssc</artifactId><version>2.8.0</version></dependency><!-- 或者使用RXTX --><dependency><groupId>org.rxtx</groupId><artifactId>rxtx</artifactId><version>2.1.7</version></dependency>
</dependencies>
配置类
@Configuration
@ConfigurationProperties(prefix = "modbus.rtu")
@Data
public class ModbusRtuConfig {private String portName = "COM1";private i