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版本：4.0-rc

Modbus协议介绍

一、Modbus协议发展历史​

Modbus协议是由Modicon公司（现为施耐德电气的一部分）在1979年开发的一种应用层通信协议。它是工业自动化领域中最早和最广泛使用的通信协议之一。

1.1 Modbus总线协议特性​

Modbus被称为总线协议，主要基于以下几个核心特征：

1.1.1 主从架构（Master-Slave）​

  • 单主多从: 网络中只能有一个主站（Master），可以有多个从站（Slave，最多247个）
  • 主站控制: 只有主站可以主动发起通信，从站只能被动响应
  • 轮询机制: 主站通过轮询方式与各个从站进行通信

1.1.2 共享通信媒介​

  • 物理总线: 在串行通信中，所有设备共享同一条物理线路（如RS-485总线）
  • 逻辑总线: 在TCP/IP网络中，通过网络交换机形成逻辑总线结构
  • 地址寻址: 通过设备地址（Slave ID）来区分不同的从站设备

1.1.3 半双工通信特性​

  • 时分复用: 同一时刻只能有一个设备发送数据
  • 冲突避免: 严格的主从协议避免了数据冲突
  • 确定性通信: 通信时序完全由主站控制，具有良好的实时性

1.1.4 总线拓扑优势​

特性说明优势
成本效益单条线路连接多个设备降低布线和硬件成本
易于扩展可方便地添加或移除从站系统扩展性好
故障隔离单个从站故障不影响整个网络提高系统可靠性
标准化统一的协议规范设备互操作性强

1.1.5 典型总线应用场景​

串行总线应用（RS-485）：

以太网总线应用（TCP/IP）：

1.1.6 与点对点协议的对比​

对比项Modbus总线协议点对点协议
连接方式一条线路连接多设备每两个设备间独立连接
通信模式主从轮询对等通信
硬件成本低（共享线路）高（独立线路）
扩展性易扩展（添加从站）复杂（需增加连接）
实时性确定性轮询可能存在冲突
故障影响局部影响影响对应连接

1.2 发展历程​

  • 1979年: Modicon公司发布了Modbus协议，最初用于其可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信
  • 1980年代: 协议逐渐被其他厂商采用，成为事实上的工业标准
  • 1996年: Modbus协议成为开放协议，任何厂商都可以免费使用
  • 2004年: 成立了Modbus组织（Modbus Organization），负责协议的维护和发展
  • 至今: 仍然是工业自动化领域最重要的通信协议之一

二、Modbus协议用途​

Modbus协议主要用于工业自动化设备之间的通信，具有以下特点和用途：

2.1 应用领域​

  • 工业自动化: PLC、DCS、SCADA系统之间的通信
  • 能源管理: 电力监控、能耗管理系统
  • 楼宇自动化: 暖通空调、照明控制系统
  • 水处理: 污水处理、供水系统监控
  • 交通运输: 地铁、机场等基础设施监控

2.2 协议优势​

  • 简单易用: 协议结构简单，易于理解和实现
  • 开放免费: 无需支付授权费用，降低了实施成本
  • 广泛支持: 几乎所有工控设备都支持Modbus协议
  • 可靠稳定: 经过数十年的验证，协议稳定可靠
  • 互操作性强: 不同厂商的设备可以无缝互联

三、Modbus协议变体​

Modbus协议有三种主要变体：

3.1 Modbus RTU​

  • 基于串行通信（RS-232、RS-485）
  • 使用二进制编码
  • 数据紧凑，传输效率高

3.2 Modbus ASCII​

  • 基于串行通信
  • 使用ASCII字符编码
  • 可读性好，便于调试

3.3 Modbus TCP/IP​

  • 基于以太网TCP/IP协议
  • 速度快，支持长距离通信
  • 易于集成到现代网络环境

四、Modbus协议报文格式​

4.1 Modbus RTU报文格式​

Modbus RTU报文格式根据是请求报文、正常响应报文还是异常响应报文而有所不同：

4.1.1 请求报文格式​

请求报文结构表

字节位置字段名称长度说明示例值
0设备地址1字节从站设备地址，范围1-247，0为广播地址0x01
1功能码1字节指定要执行的操作类型0x03
2-5数据域变长包含请求的具体参数（地址、数量等）0x00 0x00 0x00 0x02
6-7CRC校验2字节循环冗余校验码，低字节在前0xC4 0x0B

读保持寄存器请求报文示例：

01 03 00 00 00 02 C4 0B
  • 01: 设备地址
  • 03: 功能码（读保持寄存器）
  • 00 00: 起始地址（0）
  • 00 02: 寄存器数量（2个）
  • C4 0B: CRC校验

4.1.2 正常响应报文格式​

正常响应的格式根据功能码类型而有所不同：

读操作响应（功能码01-04）​

读操作响应结构表

字节位置字段名称长度说明示例值
0设备地址1字节从站设备地址0x01
1功能码1字节与请求中的功能码相同0x03
2数据字节数1字节后续数据内容的字节数0x04
3-6数据内容变长实际的寄存器或线圈数据0x12 0x34 0x56 0x78
7-8CRC校验2字节循环冗余校验码，低字节在前0x?? 0x??
写操作响应（功能码05、06）​

写单个寄存器/线圈响应结构表

字节位置字段名称长度说明示例值
0设备地址1字节从站设备地址0x01
1功能码1字节0x05（写单个线圈）或0x06（写单个寄存器）0x06
2-3起始地址2字节写入的寄存器或线圈地址0x00 0x01
4-5写入值2字节写入的数据值0x12 0x34
6-7CRC校验2字节循环冗余校验码，低字节在前0x?? 0x??
写多个操作响应（功能码0F、10）​

写多个寄存器/线圈响应结构表

字节位置字段名称长度说明示例值
0设备地址1字节从站设备地址0x01
1功能码1字节0x0F（写多个线圈）或0x10（写多个寄存器）0x10
2-3起始地址2字节写入的起始地址0x00 0x01
4-5数量2字节写入的寄存器或线圈数量0x00 0x02
6-7CRC校验2字节循环冗余校验码，低字节在前0x?? 0x??

4.1.3 异常响应报文格式​

异常响应结构表

字节位置字段名称长度说明示例值
0设备地址1字节从站设备地址0x01
1异常功能码1字节原功能码 + 0x80（设置最高位为1）0x83
2异常代码1字节具体的错误代码0x02
3-4CRC校验2字节循环冗余校验码，低字节在前0x?? 0x??

异常响应示例：

01 83 02 ?? ??
  • 01: 设备地址
  • 83: 异常功能码（0x03 + 0x80）
  • 02: 异常代码（非法数据地址）
  • ?? ??: CRC校验

4.2 Modbus TCP报文格式​

Modbus TCP协议在标准Modbus协议的基础上增加了MBAP头（Modbus Application Protocol Header），用于在TCP/IP网络上进行通信。

4.2.1 MBAP头解释​

MBAP头是Modbus TCP协议特有的7字节头部，包含以下字段：

MBAP头字段详解：

字段名称长度作用取值范围说明
事务标识符2字节唯一标识每个事务0x0000-0xFFFF客户端生成，用于匹配请求和响应
协议标识符2字节标识协议类型固定0x0000表示Modbus协议
长度字段2字节指示后续数据长度0x0001-0x00FF不包含MBAP头的前6字节
单元标识符1字节标识从站设备0x00-0xFF相当于串行Modbus的设备地址

4.2.2 完整报文格式​

4.2.3 报文结构表​

字节位置字段名称长度所属部分说明示例值
0-1事务标识符2字节MBAP头用于匹配请求和响应，高字节在前0x00 0x01
2-3协议标识符2字节MBAP头Modbus协议固定为0x00000x00 0x00
4-5长度2字节MBAP头后续字节数（单元标识符+功能码+数据域）0x00 0x06
6单元标识符1字节MBAP头从站设备地址（0表示忽略）0x01
7功能码1字节PDU指定要执行的操作类型0x03
8-11数据域变长PDU包含请求或响应的具体数据0x00 0x00 0x00 0x02

报文组成说明：

  • MBAP头 (7字节): Modbus Application Protocol Header，提供事务管理和协议识别
  • PDU (变长): Protocol Data Unit，包含功能码和数据域，与串行Modbus相同

4.2.4 完整报文示例​

读保持寄存器请求报文：

00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 02

报文解析：

MBAP头部分（前7字节）：

  • 00 01: 事务标识符（Transaction ID = 1）
  • 00 00: 协议标识符（Protocol ID = 0，表示Modbus协议）
  • 00 06: 长度字段（Length = 6，表示后续有6字节数据）
  • 01: 单元标识符（Unit ID = 1，目标从站地址）

PDU部分（后5字节）：

  • 03: 功能码（读保持寄存器）
  • 00 00: 起始地址（从地址0开始）
  • 00 02: 寄存器数量（读取2个寄存器）

响应报文示例：

00 01 00 00 00 07 01 03 04 12 34 56 78
  • MBAP头：00 01 00 00 00 07 01（事务ID=1，长度=7）
  • PDU：03 04 12 34 56 78（功能码03，4字节数据，寄存器值0x1234和0x5678）

五、常用功能码​

5.1 读操作功能码​

功能码名称说明
0x01读线圈状态读取离散输出线圈的ON/OFF状态
0x02读离散输入状态读取离散输入的ON/OFF状态
0x03读保持寄存器读取保持寄存器中的数据
0x04读输入寄存器读取输入寄存器中的数据

5.2 写操作功能码​

功能码名称说明
0x05写单个线圈设置单个离散输出线圈的状态
0x06写单个寄存器设置单个保持寄存器的值
0x0F写多个线圈设置多个离散输出线圈的状态
0x10写多个寄存器设置多个保持寄存器的值

5.3 功能码响应格式详解​

根据TouchSocket的实现，不同功能码的响应格式处理方式如下：

5.3.1 读操作响应（功能码01-04及17）​

对于读操作功能码（0x01-0x04）和读写多寄存器功能码（0x17），响应包含数据字节数字段：

if ((byte)functionCode <= 4 || functionCode == FunctionCode.ReadWriteMultipleRegisters)
{
    bodyLength = ReaderExtension.ReadValue<TReader, byte>(ref reader) + 2;
    // +2 是因为还要加上CRC的2个字节
}

响应格式：

  • 设备地址(1字节) + 功能码(1字节) + 数据字节数(1字节) + 数据内容(变长) + CRC(2字节)

5.3.2 写单个操作响应（功能码05、06）​

对于写单个线圈（0x05）和写单个寄存器（0x06），响应格式固定：

else if (functionCode == FunctionCode.WriteSingleCoil || functionCode == FunctionCode.WriteSingleRegister)
{
    bodyLength = 6; // 固定长度：地址(2) + 数据(2) + CRC(2) = 6字节
}

响应格式：

  • 设备地址(1字节) + 功能码(1字节) + 起始地址(2字节) + 写入值(2字节) + CRC(2字节)

5.3.3 写多个操作响应（功能码0F、10）​

对于写多个线圈（0x0F）和写多个寄存器（0x10），响应格式固定：

else if (functionCode == FunctionCode.WriteMultipleCoils || functionCode == FunctionCode.WriteMultipleRegisters)
{
    bodyLength = 6; // 固定长度：地址(2) + 数量(2) + CRC(2) = 6字节
}

响应格式：

  • 设备地址(1字节) + 功能码(1字节) + 起始地址(2字节) + 数量(2字节) + CRC(2字节)

5.3.4 数据长度计算规则​

功能码范围数据长度字段总长度计算说明
0x01-0x04, 0x17有(1字节)3 + 数据字节数 + 2数据字节数字段 + 实际数据 + CRC
0x05, 0x06无固定8字节地址 + 功能码 + 起始地址 + 数据值 + CRC
0x0F, 0x10无固定8字节地址 + 功能码 + 起始地址 + 数量 + CRC
异常响应无固定5字节地址 + 异常功能码 + 异常代码 + CRC

六、数据模型​

Modbus协议定义了四种基本数据类型：

七、典型通信流程​

7.1 读保持寄存器示例​

7.2 写单个寄存器示例​

八、错误处理​

8.1 异常响应处理​

Modbus协议的异常响应格式在前面的4.1.3节中已经详细描述。异常响应的关键特征：

  • 异常功能码: 原功能码的最高位设置为1（原功能码 + 0x80）
  • 异常代码: 1字节的错误代码，指明具体的错误类型

8.2 功能码识别​

在代码实现中，通过检查功能码的最高位来判断是否为异常响应：

var code = ReaderExtension.ReadValue<TReader, byte>(ref reader);
if ((code & 0x80) == 0)
{
    // 正常响应
    functionCode = (FunctionCode)code;
}
else
{
    // 异常响应
    code = code.SetBit(7, false);  // 清除最高位
    functionCode = (FunctionCode)code;
    isError = true;
}

8.3 标准异常代码​

异常代码名称说明
0x01非法功能码从站不支持请求的功能码
0x02非法数据地址请求的数据地址不存在
0x03非法数据值请求中包含非法的数据值
0x04从站设备故障从站设备发生不可恢复的错误
0x05确认从站已接受请求但需要长时间处理
0x06从站设备忙从站正忙于处理其他命令

8.4 TouchSocket特有错误处理​

TouchSocket框架在Modbus协议实现中还增加了额外的错误处理机制：

8.4.1 CRC校验错误处理​

if (crc == newCrc)
{
    // CRC校验成功，正常处理
    request = new ModbusRtuResponse() { ... };
}
else
{
    // CRC校验失败，返回内存验证错误
    request = new ModbusRtuResponse()
    {
        SlaveId = slaveId,
        FunctionCode = functionCode,
        ErrorCode = ModbusErrorCode.ResponseMemoryVerificationError,
    };
}

8.4.2 TouchSocket扩展错误代码​

错误代码名称说明
ResponseMemoryVerificationError响应内存验证错误CRC校验失败时返回的自定义错误

8.4.3 错误处理策略​

TouchSocket在处理CRC校验失败时采用了更加友好的策略：

  • 旧版本: CRC验证失败时直接抛出异常
  • 新版本: CRC验证失败时不再抛出错误，而是返回特定的错误代码(ResponseMemoryVerificationError)

这种改进使得错误处理更加优雅，避免了因网络干扰导致的程序异常终止。

九、总结​

Modbus协议作为工业自动化领域的经典协议，凭借其简单、可靠、开放的特点，在过去40多年中一直占据着重要地位。无论是传统的串行通信还是现代的以太网通信，Modbus协议都能很好地满足工业现场的通信需求。

TouchSocket框架提供了完整的Modbus协议实现，支持Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP三种变体，为开发者提供了便捷的工业通信解决方案。

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最后由 若汝棋茗 于 更新