Modbus协议详细规范

一、协议概述

Modbus是一种‌应用层通信协议‌，由施耐德电气（原Modicon公司）于1979年推出，专为工业自动化设备设计，支持主从架构的数据交互，具有开放、兼容性强等特点‌。

二、协议架构与传输模式

主从架构‌

主设备‌（Master）：发起请求（如PLC、工控机）。
从设备‌（Slave）：响应请求（如传感器、执行器），地址范围为1-247‌。

传输模式‌

RTU（Remote Terminal Unit）‌：二进制编码，高效紧凑，默认采用CRC校验‌。
ASCII‌：可读性强但效率低，采用LRC校验‌。
TCP/IP‌：基于以太网（端口502），支持现代工业网络‌。

三、数据模型与寄存器分类

Modbus通过‌4类寄存器‌管理数据，地址采用5位或6位格式‌：

• 线圈（Coils）‌（地址范围00001-09999）：1位读写，用于开关量输出控制‌。
• 离散输入（Discrete Inputs）‌（10001-19999）：1位只读，用于状态检测‌。
• 输入寄存器（Input Registers）‌（30001-39999）：16位只读，存储传感器数据‌。
• 保持寄存器（Holding Registers）‌（40001-49999）：16位读写，用于参数配置‌。

四、功能码规范

功能码定义操作类型，核心功能码包括‌：

功能码（十六进制）	操作描述	适用范围
0x01	读取线圈状态	开关量输出控制
0x03	读取保持寄存器	模拟量数据读取
0x05	写入单个线圈	开关量控制
0x06	写入单个保持寄存器	参数设置
0x0F	写入多个线圈	批量开关量控制
0x10	写入多个保持寄存器	批量参数配置

五、报文格式

RTU模式请求帧‌

[从机地址][功能码][起始地址高字节][起始地址低字节][寄存器数量高字节][寄存器数量低字节][CRC校验低字节][CRC校验高字节] 

示例：读取地址1的保持寄存器40001-40002（功能码0x03）‌。

TCP/IP模式报文‌

在RTU帧基础上添加MBAP头（事务标识符、协议标识符、长度字段等）‌。

六、应用场景

• 工业设备监控‌：通过功能码0x03读取变频器频率、温度等参数‌。
• 电力系统数据采集‌：获取电压、电流等模拟量数据（输入寄存器）‌。
• 远程控制‌：使用0x05/0x0F控制继电器开关‌。

七、规范文档与扩展

核心标准‌

• IEC 61158‌：定义Modbus作为工业通信标准‌。
• Modbus TCP/IP规范‌：基于RFC 793/791实现以太网传输‌。

扩展协议‌

Modbus over TLS‌：增强通信安全性‌。
Modbus Plus（MB+）‌：高速令牌环网络扩展，支持多主站‌。

总结

Modbus协议通过‌标准化寄存器模型‌和‌功能码机制‌实现设备间高效通信，适用于中小规模工业系统。其详细规范涵盖物理层（RS-485、以太网）、数据链路层（帧结构）及应用层（功能码定义），具体实现需参考IEC 61158及厂商文档‌。