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Modbus 协议

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Modbus 协议

N_OSI模型&TCP&协议&封包

Modbus 是一种通信协议，用于在工业自动化领域中的设备之间进行数据交换。它是一种简单而广泛使用的串行通信协议，用于将控制设备（如传感器、执行器、PLC等）与监控设备（如计算机、远程终端等）连接起来。

Modbus RTU、ASCII、TCP 的区别

Modbus的协议版本 包括Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP、Modbus UDP/IP等

  • Modbus RTU与Modbus ASCII，都使用串口通讯协议，Modbus RTU使用二进制格式进行数据传输，通讯效率更高，Modbus ASCII使用ASCII码进行数据传输，可读性好，但通讯效率更低。
  • Modbus TCP/IP是基于以太网的一种通讯方式，它将Modbus协议封装在TCP/IP协议栈中，通过以太网传输数据。具有高速、稳定的特点。
  • Modbus UDP/IP是基于UDP/IP协议的一种通讯方式

Modbus RTU使用二进制编码进行通信，而Modbus ASCII则使用可打印的ASCII字符。Modbus RTU是更常用的版本，因为它在数据传输效率方面更高。

Modbus协议采用主从结构，其中一个设备充当主站（主机），负责发起通信请求和控制操作，而其他设备则充当从站（从机），接收主站的请求并提供数据。只能主站发起请求，从站不能，发起请求

Modbus 结构

​1. 数据传输格式

​协议类型​数据编码​帧结构​示例
​RTU​二进制紧凑的二进制数据，直接传输十六进制字节（如 0x01）。[01][03][00][01][00][01][D5][CA]
​ASCII​ASCII字符数据转换为可读的ASCII字符（如 "0" → 0x30），每字节拆分为两个ASCII字符。:010300010001D5CA<CR><LF>
​TCP​二进制（基于TCP）​在TCP/IP协议栈上传输，添加MBAP头（Modbus Application Protocol header）。000100000006010300010001

​2. 帧结构与分隔符

​协议类型​帧起始符​帧结束符​校验方式​字节间隔要求
​RTU无无CRC（2字节）严格时间间隔（3.5字符）
​ASCII:（冒号）CR+LF（回车换行）LRC（纵向冗余校验）无严格间隔要求
​TCPMBAP头通过TCP包长度标识无额外校验（依赖TCP/IP校验）无间隔要求

​3. 传输效率

​协议类型​效率
​RTU​高：二进制编码，数据紧凑，适合低速串行链路（如RS-485）。
​ASCII​低：每个字节需转换为2个ASCII字符（如0xA1→"A""1"），传输数据量翻倍。
​TCP​高：基于TCP/IP，支持高速网络，但需额外添加MBAP头（7字节）。

​4. 校验方式

​协议类型​校验机制​校验范围
​RTU​CRC-16​（循环冗余校验）整个数据帧（地址+功能码+数据）
​ASCII​LRC​（纵向冗余校验，1字节）数据字段（不包含起始/结束符）
​TCP​依赖TCP/IP校验​（无额外Modbus层校验）TCP/IP协议栈自动校验
  • RTU / CRC-16-IBM CRC-16的算法有多种变种，Modbus使用的是CRC-16-IBM 以 0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x08,0x44,0x0C的 0x3 请求为例 其中0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x08 的CRC-16 (Modbus) 实际计算工具检验码是（0x440C） 按大端序输出​​：高字节 0x0C → 0x44
byte[] data = {0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x08};

crc-calculation - https://www.lammertbies.nl/comm/info/crc-calculation

​5. 物理接口

​协议类型​传输介质​典型速率​应用场景
​RTURS-485/RS-2321.2kbps - 115.2kbps工业现场设备（PLC、传感器）
​ASCIIRS-485/RS-232低于RTU（因效率低）调试场景（数据可读性强）
​TCP以太网（TCP/IP）10Mbps - 1Gbps工厂局域网、SCADA系统远程通信

数据帧格式

无论哪一种Modbus协议版本的帧格式都是一样的

数据帧部分描述占用字节
设备地址（Slave ID）识别从站的唯一地址1字节
功能码（Function Code）主机对从机实现的操作，功能码1字节
数据区（Data Field）包含功能码所需的数据或返回的数据可变
错误校验（CRC）循环冗余校验，用于错误检测2字节

主站发出的功能码 01 ~ 06 的请求时, 数据一定的8个字节(数据区使用1个字节表示开始地址, 1个字节表示长度)

数据/地址类型

Modbus中定义的四种数据类型

  1. 离散输出（Discrete Outputs）:
    • 这些寄存器也称为线圈（Coils），它们代表二进制输出（0 或 1），通常用于控制开关设备。
    • 地址范围通常是 0x00001 到 0xFFFFF（Modbus TCP）或 0x0000 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
    • 功能码 01（读取线圈状态）和 05（写入单个线圈）用于离散输出。
  2. 离散输入（Discrete Inputs）:
    • 这些寄存器代表二进制输入状态，它们是只读的，通常用于表示传感器或开关的状态。
    • 地址范围通常是 0x10001 到 0x1FFFF（Modbus TCP）或 0x0001 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
    • 功能码 02（读取离散输入状态）用于离散输入。
  3. 保持寄存器（Holding Registers）:
    • 这些寄存器用于存储可读写的数值数据，通常用于表示过程变量，如温度或压力。
    • 地址范围通常是 0x40001 到 0x4FFFF（Modbus TCP）或 0x0000 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
    • 功能码 03（读取保持寄存器）和 06（写入单个保持寄存器）用于保持寄存器。
  4. 输入寄存器（Input Registers）:
    • 这些寄存器用于存储只读数值数据，通常用于表示模拟量输入，如电流或电压。
    • 地址范围通常是 0x30001 到 0x3FFFF（Modbus TCP）或 0x0000 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
    • 功能码 04（读取输入寄存器）用于输入寄存器。

功能码

​​功能码（十六进制）​​​​名称​​​​操作类型​​​​访问权限​​​​PLC 地址范围​​​​数据类型​​
​​0x01​读取线圈状态（Read Coils）位操作读00001-09999（0x地址）二进制位（ON/OFF）
​​0x02​​读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）位操作读10001-19999（1x地址）二进制位（ON/OFF）
​​0x03​​读取保持寄存器（Read Holding Registers）字操作读40001-49999（4x地址）16位整数/浮点数
​​0x04​​读取输入寄存器（Read Input Registers）字操作读30001-39999（3x地址）16位整数/浮点数
​​0x05​​写单个线圈（Write Single Coil）位操作写00001-09999（0x地址）二进制位（ON/OFF）
​​0x06​​写单个保持寄存器（Write Single Register）字操作写40001-49999（4x地址）16位整数/浮点数
​​0x0F​​写多个线圈（Write Multiple Coils）位操作写00001-09999（0x地址）二进制位（ON/OFF）
​​0x10​​写多个保持寄存器（Write Multiple Registers）字操作写40001-49999（4x地址）16位整数/浮点数
​​0x07​​读取异常状态（Read Exception Status）位操作读由设备定义（内部线圈）二进制位（ON/OFF）
​​0x08​​回送诊断校验（Diagnostics）诊断操作读/写无特定地址诊断数据

Modbus功能码占用一个字节，取值范围是1127(即0x010x7F)。同时，使用功能码+0x80表示异常状态，即129~255代表异常码。 在Modbus标准协议中，一共规定了三类Modbus功能码。

  1. 公共功能码 。被明确定义的功能码； 。保证唯一性； 。由Modbus协会确认，并提供公开的文档： 。可进行一致性测试： 。包括协议定义的功能码和保留将来使用的功能码。

  2. 用户自定义功能码 。有两个用户自定义功能码区域，分别是6572和100110; 。用户自定义，不保证唯一性。

  3. 保留功能码 。保留功能码是因为历史遗留原因，某些公司的传统产品上现行使用的功能码不作为公共使用。

实际最常用的是公共功能码中的4个功能码：03/04/06/10

实例

主站发送

主站向从站发送的实际请求数据帧：03 04 00 08 00 01 B0 3B （假设从站地址为03） 其中： 03：为主站要访问的域名（即从站地址，范围0~247）。 04：表示功能码。 00 08：表示从从站寄存器08这个地址开始读取数据。 00 01：表示从站寄存器, 读取数据的长度。(这里即读取一个字节) b0 3b：两个字节的校验数据。(Modbus CRC)

从站响应

从站接收到主站的请求数据帧之后实际的响应数据帧为：03 04 02 00 0A 40 F7 其中： 03：为从站地址即域名（即从站地址，范围0~247）。(主站发送什么就响应什么) 04：表示功能码。(主站发送什么就响应什么) 02：被读取数据长度（所以最多 255 - 4 字节? 253字节） 00 0A：被读取的具体数据 40 F7：两个字节的校验数据

协议限制

  1. Modbus协议报文（两个帧的）间隔需要大于3.5个字符计算：

    1.1、有检验位 1个字符=1（起始位）+8（数据位）+1（奇偶校验位）+1（停竖位）=11位3.5个字符=3.511=38.5位 如果波特率=9600bps,则3.5个字符间隔时间为 38.5/9.6=4.0104167ms ： 字节间间隔时间=1.5字符间隔时间 ≈2.6042ms 1.2 无校验位 1个字符=1（起始位）+8（数据位）+0（无校验位）+1（停止位）=10位 3.5个字符=3.5*10=35位

    如果波特率=9600bps,则3.5个字符间隔时间为35/9.6=3.6458毫秒

  2. 通常可以将传输 45位的时间四舍五入后做为报文时间间隔。 如果波特率=9600bps,则45位传输时间为45/9.6=4.6875≈5毫秒

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