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 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
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-N | 数据域 | 变长 | 包含请求或响应的具体数据 | 0x00 0x00 0x00 0x02 |
| N+1-N+2 | CRC校验 | 2字节 | 循环冗余校验码，低字节在前 | 0xC4 0x0B |
完整报文示例
读保持寄存器请求报文：
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
4.2 Modbus TCP报文格式
报文结构表
| 字节位置 | 字段名称 | 长度 | 说明 | 示例值 |
|---|---|---|---|---|
| 0-1 | 事务标识符 | 2字节 | 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 | Modbus协议固定为0x0000 | 0x00 0x00 |
| 4-5 | 长度 | 2字节 | 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 | 从站设备地址 | 0x01 |
| 7 | 功能码 | 1字节 | 指定要执行的操作类型 | 0x03 |
| 8-N | 数据域 | 变长 | 包含请求或响应的具体数据 | 0x00 0x00 0x00 0x02 |
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
00 01: 事务标识符00 00: 协议标识符00 06: 长度（6字节）01: 单元标识符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）
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 |
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 异常响应格式
当从站无法处理请求时，会返回异常响应：
8.2 常见异常代码
| 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 |
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。