深入解析Modbus通信协议

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Modbus通信协议是什么?

关于Mod，因为这种协议最早被用在PLC控制器中，准确的说是Modicon公司的PLC控制器，这也是Mod-Bus名称的由来。后来Modicon被施耐德（Schneider）收购，Modbus协议广泛应用在工业控制器、HMI和传感器上，逐渐被其他厂商所接受，成为了一种主流的通讯协议，用于和外围设备进行通讯。

Modbus协议作为当今工业控制领域的通用通讯协议，在无数物联网产品中得到应用，工业、农业等物联网解决方案中都有其身影。ModBus网络是一个工业通信系统，由智能终端的可编程序控制器和计算机，通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件，应用于各种数据采集和过程监控。

Modbus网络体系

通过Modbus协议，控制器相互之间、或控制器经由网络(如以太网)可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等;典型的从设备如PLC可编程控制器等。Modbus通讯物理接口可以选用串口(包括RS232和RS485)，也可以选择以太网口。

Modbus在7层OSI参考模型中属于第七层应用层，数据链路层有两种：基于标准串口协议和TCP协议，物理层可使用3线232、2线485、4线422，或光纤、网线、无线等多种传输介质。

ModBus网络只有一个主机，发出通讯信号，多个从机，网络可支持247个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。采用这个系统，各PC可以和中心主机交换信息而不影响各PC执行本身的控制任务。

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。

大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。

对于串行连接，存在两个变种，它们在数值数据表示不同和协议细节上略有不同。

三种传输模式

1979年，Modicon 首先推出了串行Modbus标准，后来由于网络的普及，需要更高的传输速度，1997年制定了基于TCP网络的Modbus标准。

所以总的可分为两个传输模式：基于串行链路的和基于以太网TCP/IP的。但是我个人还是习惯分为3种传输模式：

基于串口的Modbus-RTU

数据按照标准串口协议进行编码，是使用最广泛的一种Modbus协议，采用CRC-16_Modbus校验算法。

基于串口的Modbus-ASCII

所有数据都是ASCII格式，一个字节的原始数据需要两个字符来表示，效率低，采用LRC校验算法。

基于网口的Modbus-TCP

Modbus-TCP基于TCP/IP协议，占用502端口，数据帧主要包括两部分：MBAP（报文头）+PDU（帧结构），数据块与串行链路是一致的。

所以当我们提及Modbus协议时，要确定是哪种模式：RTU、ASCII或TCP，3种模式区别还是很大的。

有些设备支持多种Modbus模式，有些设备只支持其中一种，实际使用要根据设备使用手册来选择采用哪种模式。

对于所有的这三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的，只有封装方式是不同的。

Modbus有一个扩展版本Modbus Plus（Modbus+或者MB+），不过此协议是Modicon专有的，和Modbus不同。它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线，并且每个节点都有转换隔离装置，是一种采用转换/边缘触发而不是电压/水平触发的装置。连接Modbus Plus到计算机需要特别的接口，通常是支持ISA（SA85），PCI或者PMCIA总线的板卡。

标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。

Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;

Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。

另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后(如故障或关机)，Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，Modbus协议的可靠性较好。

对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。

Modbus RTU 协议

Modbus在7层OSI参考模型中属于第七层应用层，数据链路层有两种：基于标准串口协议和TCP协议，物理层可使用3线232、2线485、4线422，或光纤、网线、无线等多种传输介质。

Modbus RTU 协议是一种开放的串行协议，广泛应用于当今的工业监控设备中。该协议使用 RS-232 或 RS-485 串行接口进行通信，并得到市场上几乎所有商业 SCADA、HMI、OPC 服务器和数据采集软件程序的支持。

Modbus RTU 协议使用主/从技术在设备之间进行通信。这意味着，任何使用 Modbus RTU 协议的应用程序都将有一个 Modbus 主站和至少一个 Modbus 从站。Modbus Master 通常是一台运行软件的主机监控计算机，它将与一个或多个 Modbus Slave 设备进行通信。

Modbus 从设备是执行系统参数测量和控制系统中的开/关设备的设备。为了执行这些任务，主站向 Modbus 从站发送消息，请求执行特定任务。

Modbus RTU 协议使用格式化的消息在主机和从机之间进行通信。消息由系统 Master 发起并发送到 Slave 设备。然后，从站以请求的数据进行响应，或者确认它执行了请求的功能。所有进出主站的消息都包含一个两字节（16 位）CRC（循环冗余校验）校验和值，用于错误检查。如果将无效请求传输到 Modbus 从站，则会返回一个字节（8 位）错误代码值，说明请求错误的原因。

Modbus 主站消息包含几个重要的信息。每条消息都以接受消息的设备的从地址开始。接下来是要执行的功能编号（或命令）。后面是指定函数正确执行所需的任何数据。从地址是一个单字节（8 位）值，可用值范围在 0-247 之间。Modbus 功能号也是一个字节值，并且在协议中定义了许多标准化功能号。支持所请求功能所需的任何数据值的长度将是一个或多个字节。Modbus 从站响应消息将包含响应的从站地址、功能编号和主站请求的任何必要数据。

Modbus 通信协议特点

（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。

（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。 　

（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

Modbus4种数据类型

Modbus协议规定，进行读写操作的数据类型，按照读写属性和类型可分为以下4种：

• 离散量输入（Discretes Input ）：1位，只读

  
  

2.线圈（Coils）：1位，读写

3.输入寄存器（Input Registers ）：16位，只读

4.保持寄存器（Holding Registers）：16位，读写

常用的MODBUS通讯方式

有两种，一种是MODBUS ASCII，一种是MODBUS RTU。每个设备必须都有相同的传输模式。所有设备都支持RTU模式，ASCII传输模式是选项。　　

＋ASCII传输方式

Modbus串行链路的设备被配置为使用ASCII模式通信时，报文中的每8位字节以两个ASCII字符发送。例：字节0X5B会被编码为两个字符：0x35和0x42进行传送(ASCII编码0x35="5"，0x42="B")，这样传输效率会降低。

在ASCII模式，报文用特殊的字符区分帧起始和帧结束。一个报文必须以一个‘冒号’(：)(ASCII十六进制3A)起始，以‘回车-换行’(CRLF)对(ASCII十六进制0D和0A)结束。设备连续的监视总线上的‘冒号’字符。当收到这个字符后，每个设备解码后续的字符一直到帧结束。报文中字符间的时间间隔可以达一秒。如果有更大的间隔，则接受设备认为发生了错误。　　

＋RTU传输方式

当设备使用RTU(RemoteTerminalUnit)模式在Modbus串行链路通信，报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符。这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的传输效率。每个报文必须以连续的字符流传送。

Modbus RS485接线方法

RS485的应用挺广泛，可以支持ModBus协议，因为简单、便宜、可靠、成熟，所以在工业控制、智能仪表和电力通信领域应用很多。

1、我们来看看RS485的一个典型组网结构：

理论上，一条RS485总线的传输距离可以达到1200米。但是在实际应用受通信芯片、波特率和线材、干扰等影响，实际上是远远达不到这个数值的。

理论上，一条RS485总线可以挂254台设备，实际上也远远达不到，通常的应用中，也就是30台左右。

RS485总线要采用上图手拉手式的总线结构，坚决杜绝星型连接和分叉连接，如下图：

＋关于线材的选用

通信线缆要选择两芯屏蔽双绞线，线径不低于0.5平方。双绞是因为485通讯采用差模通讯原理，双绞的抗干扰性最好。有些野路子的做法用非屏蔽非双绞线甚至是网线来敷设485通讯线，是极端错误的。

＋关于保障通信质量的几种手段

1、共地法：用1条线或者屏蔽线将所有485设备的GND地连接起来，这样可以避免所有设备之间存在影响通讯的电势差。

2、终端电阻法：在最后一台485设备的485+和485-上并联连接120欧姆的终端电阻来改善通讯质量。

3、如果通讯距离过长，建议如果超过500米就采用中继器或者485HUB来解决问题。如果负载数过多，建议如果一条总线上超过30台就采用485HUB来解决问题。

＋场景应用-Modbus物联网云平台

机智云物联网平台推出基于Modbus协议的功能，方便开发者直接定义基于Modbus的产品，实现实现数据采集、实时控制、数据可视化、开放 API，构建灵活强大的物联网应用。

总 结

总的来说，简单是 Modbus 如此普遍的主要原因。消息检查是 Modbus 如此受欢迎的另一个原因。CRC 和 LRC 检查意味着检查传输错误的准确率达到 99%。概括来讲，Modbus就是一种用于工业控制的协议，具有免费使用、上手简单、修改方便三大特点，已经被广泛使用。

此协议支持传统的RS-232、RS-485、RS-422和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表，变频器等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。