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 ;

  }