Modbus概述

应用层消息协议；
采用请求/应答方式；
通过功能码提供特定服务；
能轻松完成不同总线或网络间的设备的通信。

1979年后成为工业领域串行通信协议的业界标准。

下载Modbus应用协议规范V1.1b3

实现方式

主要实现方式如下：

基于以太网的TCP/IP实现，见Modbus消息实现指南V1.0a；
通过多种介质进行异步串行传输；
Modbus+，一种高速令牌传递网络。

网络架构

Modbus协议可以在所有类型的网络架构中轻松通信。

术语：

ADU: Application Data Unit 应用数据单元
HDLC: High level Data Link Control 高级数据链路控制
HMI: Human Machine Interface 人机界面
IETF: Internet Engineering Task Force 互联网工程任务组
I/O: Input/Output
IP: Internet Protocol
MAC: Media Access Control 媒体访问控制
MBAP: MODBUS Application Protocol
PDU: Protocol Data Unit
PLC: Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制
TCP: Transmission Control Protocol 传输控制协议

Modbus详述

协议描述

Modbus协议定义了一个独立于底层通信层的简单协议数据单元（PDU）。在特定的总线或网络上，Modbus协议映射（mapping of Modbus protocol）可以在应用数据单元（ADU）里引入一些额外的字段。

Modbus应用数据单元（ADU）由发起Modbus事务的客户端构建。功能码指示服务端执行什么动作（action）。Modbus应用协议建立起由客户端发起的请求格式。

功能码字段：占一个字节，有效值为1~255,。某些功能码还有子功能码以定义更多的动作（action）。数据字段：可能没有。数据字段包含的内容可以有离散地址和寄存器地址、要处理的项的数量以及字段中实际数据字节的计数（count）。

正常请求示例：

异常响应示例：

Modbus PDU的大小受限于串行网络上第一个Modbus实现的大小约束（max. RS485 ADU = 256 bytes）。

因此：

Modbus串行通信的PDU大小为253字节：256 - Server address(1字节) - CRC(2字节)。

所以：

RS232/RS465 ADU = 253字节 + Server address(1字节) + CRC(2字节) = 256字节。

TCP MODBUS ADU = 253字节 + MBAP(7字节) = 260字节。

Modbus协议定义了三种PDU，分别是：

MODBUS请求PDU：mb_req_pdu = {function_code, request_data}
MODBUS响应PDU：mb_rsp_pdu = {function_code, response_data}
MODBUS异常响应PDU：mb_excep_rsp_pdu = {exception-function_code, request_data}

数据编码

Modbus使用大端表示地址和数据项。这意味着，当传输一个大于单个字节的数值时，将首先发送最高有效字节。如：寄存器大小为16位，其值为0x1234，那么将先发送0x12，然后再发送0x34。

数据模型

Modbus将其数据模型建立在一系列具有显著特征的表之上。4个主表（Primary table）分别是：

主表	对象类型	类型	注释
离散输入（discretes input）	1bit	只读	该类型的数据可以由I/O系统提供
线圈（coils）	1bit	读写	该类型的数据可以由应用程序改变
输入寄存器（input registers）	16-bit word	只读	该类型的数据可以由I/O系统提供
保持寄存器（holding registers）	16-bit word	读写	该类型的数据可以由应用程序改变

如下展示了两种在设备中组织数据的方式：

设备有4个独立的块。

设备只有1个块。

寻址模型

在MODBUS PDU addresses中，数据的寻址范围是0~65535。

在MODBUS data model中，数据块中的元素编号从1到n标记。

从图中可以看出，编号为X的Modbus数据对应X-1的Modbus PDU

定义事务

服务器端MODBUS事务的一般处理过程如下：

当请求被服务器接收处理时，服务器会使用合适的MODBUS服务器事务构建一个MODBUS响应。

功能码分类

功能码可以分为三类，分别是：

公共功能码：官方发布的，主要关注这个即可。
自定义功能码：范围为65~72和100~110。一般不需要自定义。
保留功能码：在一些公司的历史遗留项目中使用但不公开，不用管。

公共功能码定义

从左往右看，前三列是功能分类，第四列是具体功能，第五和第六列为对应的功能码和子功能码，第7列为功能码对应的16进制表示形式，最后一列表示能在第几章节中找到具体功能说明。例如，第四列的Read Holding Registers功能，分类上属于数据访问中16 bits访问，对应功能码为03，没有子功能码，功能码的16进制表示形式为03，具体功能说明可以在章节6.3中查看。

功能码描述

这里只对功能码03(0x03)Read Holding Registers进行描述，其它功能码同理，按实际需求再去阅读、理解即可。

该功能码用于在远程设备上读取1~125个连续输入寄存器的数据。请求PDU指定了寄存器起始地址和寄存器个数。在PDU中，寄存器从0开始寻址。因此，寄存器编号1-16对应的寻址为0-15。

响应消息中的寄存器数据打包为每个寄存器两个字节，二进制内容在每个字节内右对齐。对于每个寄存器，第一个字节包含高阶位，第二个包含低阶位。

这段话可能有点费解，往下看到请求示例就理解了。

请求格式


功能码	1字节	0x03
起始地址	2字节	0x0000~0xFFFF
寄存器个数	2字节	1~125(0x7D)

正常响应格式


功能码	1字节	0x03
字节个数	1字节	2N
寄存器值	2N字节

异常响应格式


功能码	1字节	0x03
异常码	1字节	01 或 02 或 03 或 04

读寄存器108-110的请求示例

从Request列看出，功能码为0x03（Read Holding Registers），寄存器起始地址为0x006B，寄存器个数为0x0003（0x006B的10进制为108，0x0003的10进制为3，即对应上了读寄存器108-110）。

从Response列看出，功能码为0x03，字节个数为0x06，寄存器108、109、110的值分别为0x022B，0x0000，0x0064（0x022B的10进制为555，0x0000的10进制为0，0x0064的10进制为100）。

读保持寄存器状态图：

Modbus_快速理解Modbus应用协议规范V1.1b3