嵌入式软件面经（一）Q: 什么是Modbus协议？它有哪些特点？
Modbus协议是一种开放式的工业通讯协议，最初由Modicon公司（现施耐德电气Schneider Electric）于1979年开发，广泛应用于工业现场设备之间的数据通讯，尤其适用于PLC（可编程逻辑控制器）与现场仪表、传感器、执行机构之间的数据交换。
一、Modbus协议的定义
Modbus协议是一种主从式（Master/Slave）的通信协议，主设备负责发起通信请求，从设备则对请求进行响应。其核心思想是采用统一的消息结构，通过请求-应答机制，实现不同设备之间的数据交互与控制功能。
二、Modbus协议的特点
Modbus协议在工业通信领域有着广泛的应用，主要具有以下特点：
1. 简单性与开放性：
- 协议结构简单，易于实现和维护；
- 协议为开放标准，不受版权限制，设备厂家广泛支持。
2. 主从式通信：
- 主设备主动发起通信，从设备被动响应；
- 一个主设备可同时连接多个从设备（单主多从模式）；
- 从设备之间不能直接通信，只能通过主设备进行数据交换。
3. 多种通信模式：
- RTU模式（Remote Terminal Unit）：采用二进制数据编码，紧凑、高效，广泛用于串口通讯；
- ASCII模式：使用ASCII字符编码，便于人类阅读，便于调试，但效率较RTU低；
- TCP/IP模式：通过网络进行传输，数据封装于TCP帧中，适用于远程数据通讯及网络控制场合。
4. 数据访问方式明确：
-
Modbus将数据分为四种基本类型：
- 离散输入（Discrete Input）：只读单比特量（例如传感器状态）。
- 线圈（Coil）：可读写单比特量（例如开关控制）。
- 输入寄存器（Input Register）：只读16位数值（例如温度传感器的测量值）。
- 保持寄存器（Holding Register）：可读写16位数值（例如设定值或输出数据）。
5. 灵活的地址分配：
- 每个从设备均有唯一的设备地址，范围为1～247；
- 数据以寄存器和线圈地址的方式访问，便于数据集中管理。
6. 广泛的兼容性和扩展性：
- 支持多种物理层接口，包括RS-232、RS-422、RS-485和以太网；
- 易于与其他协议和系统集成，工业自动化中广泛采用。
7. 较高的可靠性：
- 采用CRC（循环冗余校验）进行差错检测，保证数据传输的可靠性；
- RTU模式通信的帧结构紧凑，有效提高了通信的效率和可靠性。
8. 低成本实现：
- Modbus协议本身简单清晰，容易实现，不需要复杂硬件和昂贵的软件投入，适用于资源受限的工业现场设备。
三、Modbus协议的通信帧结构示例（RTU模式）
以RTU模式为例，通信帧通常包含以下部分：
| 设备地址（1字节） | 功能码（1字节） | 数据区（N字节） | CRC校验（2字节） |
|---|---|---|---|
| 从机设备标识 | 请求或响应的类型 | 数据内容 | 用于错误检测 |
- 设备地址：识别通信目标设备；
- 功能码：决定数据的具体操作（例如读、写）；
- 数据区：传输的数据内容；
- CRC校验：验证传输数据的完整性和正确性。
例如：
主机请求从机1读取起始地址为100的2个保持寄存器（功能码03）的报文（十六进制）：
01 03 00 64 00 02 CRC_L CRC_H
四、典型应用场景
- 工业自动化控制系统（例如PLC、DCS之间的数据交换）；
- 楼宇自动化和能源管理系统（例如空调系统、照明控制）；
- 环境监控设备（例如温湿度传感器、气体检测仪）；
- 电力系统（例如电表、功率测量设备）；
- 工业设备远程监测与控制系统（例如远程泵站、水处理系统）；