Modbus通信从入门到精通_1_Modbus通信基础

关于Modbus通信的相关知识比较零碎，此处对查找到的知识点从理论，通信协议、使用方法方面进行整理。
值得学习的博文：Modbus及调试用软件介绍；Modbus协议和上位机应用开发介绍

1. Modbus通信理论

1.1 Modbus通信特点

• Modbus是一种第三方公开协议，采用主从结构，主控设备房称为Modbus Master，从设备方称为Modbus Slave。

• Modbus物理接口可以选用串口：RS232、RS485、RS422，也可以采用以太网口。

• 采用串口或者以太网口对应的Modbus协议是不一样的，使用串口通讯，对应的是Modbus RTU或者Modbus ASCII协议，使用网口的对应的是Modbus TCP协议。

• Modbus通信遵循以下过程：主设备向从设备发送请求，从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果，如果出现任何差错，从设备都会返回一个异常的功能码。

• Modbus工作方式是请求和应答，每一次都是主设备发送指令，可以是广播或是向特定从站的单播，从站响应指令并按要求应答或者报告异常，当主站不发送请求的时候，从站是不会自己发送数据的

• 从站与从站之间是不能直接通信，只能主站对从站发送请求，从站响应主站的请求。

• Modbus通信是以报文形式进行，由于Modbus协议分为Modbus RTU、Modbus ASCII协议、Modbus TCP协议也就对应有三种报文

1.2 存储区概念及范围

1.2.1 存储区概念

Modbus通信协议有4个存储区：输出线圈、输入线圈、输入寄存器、保持寄存器（也被称为输出寄存器）

• 线圈：对应PLC中bool量，1个字节，输入线圈相当于PLC的输入点，输出线圈相当于PLC的输出点（存放bool量）
• 寄存器：一个寄存器占1个字长度即2个字节（存放数据）

1.2.2 存储区范围

存储区范围：5位标准地址 6位扩展地址（可能在变频器上出现）
输出线圈 代号0 00001-09999 000001-065536 可读可写：类比可以用PLC程序读写输出线圈
输入线圈 代号1 10001-19999 100001-165536 只读：类比PLC的I点，不能写
输入寄存器 代号3 30001-39999 300001-365536 只读
保持寄存器 代号4 40001-49999 400001-465536 读写

输入线圈和输入寄存器对应PLC的什么区呢？
没有什么关系

具体硬件的数据保存在输入寄存器还是保持寄存器中，需要看手册

1.3 功能码

Modbus报文中包含了Modbus功能码，功能码及含义如下所示：（因为学习资源来自于2部分，因此可能会重复）


主站想要访问从站的什么数据，就要使用对应的功能码去访问，然后再加上从站对应的站号地址，数据的起始地址，点位数量，就组成了一条Modbus报文。

1.4 Modbus通讯协议和TCP/UDP协议的区别

为了便于理解Modbus通讯协议和TCP/UDP协议的区别，关于OSI参考模型和TCP/IP参考模型的简介如下图：

实际上OSI七层模型中 应用层，表示层，会话层，对应的都是四层模型中的应用层，因为应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以都给他合并了。
而数据链路层和物理层都是归属于网络接口层，又称之为链路层。这是因为数据链路层和物理层的内容相差不多，所以在TCP/IP协议中它们被归并在网络接口层(链路层)一个层次里。

• Modbus协议属于应用层（OSI模型第7层）协议，TCP/UDP协议属于传输层（OSI模型第4层）协议，两者层级不是并列关系。
  打个比喻，Modbus协议就像公司里的总经理，TCP/UDP协议就像公司里的轿车、商务车。某天总经理要到机场去乘飞机，他可以选择：1）自己开轿车去，2）让司机开商务车送去，3）搭的士/公交车过去。若选择1），那就是总经理-轿车的关系，Modbus TCP协议就形同这种关系。若选择3），就形同另外的Modbus RTU/ASCII协议的关系。

• Modbus协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，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。

• 而Modbus TCP协议则是在RTU协议上加一个MBAP报文头，由于TCP是基于可靠连接的服务，RTU协议中的CRC校验码就不再需要，所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码，用一句比较通俗的话说就是：Modbus TCP协议就是Modbus RTU协议在前面加上五个0以及一个6，然后去掉两个CRC校验码字节就OK.虽然这句话说得不是特别准确，但是也基本上把RTU与TCP之间的区别说得比较清楚了。

下文将介绍Modbus TCP和Modbus RTU两种协议。

2. Modbus TCP通信协议

Modbus TCP报文格式举例如下：

2.1 01功能码读线圈：

• 事务处理标识：00 01，相当于报文的序号，可以是任意的数字，不会影响报文的意义
• 协议标识：默认00 00即可，也是一个没有意义的数字
• 报文长度：固定为6，指的是报文长度这两个字节后总共有6个字节
• 单元标识：01表示访问1号站，对应下面的"Device ID"
• 功能码：01读线圈，使用1号功能码
• 起始地址：从00 00开始读
• 寄存器个数：读8个线圈

2.1.1 使用“网络调试助手”模拟Modbus TCP客户端，

2.1.2 使用MODSIM模拟Modbus TCP服务器

使用MODSIM来模拟Modbus TCP服务器，软件的使用参考：【工具使用】Modsim32软件使用详解；ModSim基本使用（Modbus模拟器）
下图显示已经连接上:Address:0001指起始地址为1号地址即第一个线圈，Length:8是指对应有8个线圈

发送上面第一条指令后，返回如下：
回文格式请参考Modbus TCP通信详解及仿真第2节

此案例中返回如下：

当把第二个寄存器也改为1之后，返回的数据为03，这是16进制的，对应的二进制就是0011

2.2 “03”功能码读保持寄存器

• 单元标识：09表示访问9号站
• 功能码：03读保持寄存器
• 起始地址：从00 06开始读
• 寄存器个数：读2个寄存器

保持寄存器对应的Modbus的地址是40001开始和寄存器的对应关系如下：

上述报文的含义是读4007-4008寄存器，对应的服务器端可以就是如下图，设置两个寄存器的值为“00011”和“00020”（十进制的值）

发送报文之后得到的如下图：代表9号站回复的内容

2.3 “0F”功能码写多个线圈

写的报文和上面读的报文格式是不一样的

• 单元标识：23表示访问十六进制23号站（即十进制35号站），对应下面的"Device ID"
• 功能码：0F写多个线圈
• 起始地址：从00 00开始写
• 寄存器个数：写十六进制的10个线圈，也就是十进制的16个线圈
• 写入数据字节数：02表示写入的数据占用2个字节
• 写入数据：由于线圈是位元件，也就是二进制的，十六进制的FF转换为二进制1111 1111 1111 1111，也就是16位全部置为1

发送过去之后16个线圈全部置为1

返回报文如下：

14 32 00 00 00 06 23 0F 00 00 00 10

00 00表示访问的起始地址；00 10表示访问16位

将上面的写入的数据改为：00 02，因为Modbus报文是高字节在前，对应第2个字节开始的第2个线圈，也就是第二个字节的“0000 0010”（8位中的第二位为1），即得到服务器端得到如下：

2.4 “10”功能码写多个保持寄存器

• 单元标识：32表示访问十六进制32号站（即十进制50号站），对应下面的"Device ID"
• 功能码：10写多个保持寄存器
• 起始地址：从00 00开始写
• 寄存器个数：写十六进制的3个线圈也就是4001-4003这三个
• 写入数据字节数：06表示写入的数据占用6个字节
• 写入数据：0C BA 2F 0F 1D 9B，0C BA写给4001，1D 9B写给4003

发送报文的结果和回复的报文内容如下图：

以上就是对于Modbus TCP报文格式的讲解。

3. Modbus RTU通信协议

3.1 Modbus RTU特点

ModbusRTU与ModbusASCII 在报文数据发送格式上几乎一样，但也存在一些区别，具体体现在:

• ModbusASCII 有开始字符（：）和结束符(CR LF)，可以作为一帧数据开始和结束的标志，而ModbusRTU没有这样的标志，需要用时闻间隔来判断一帧报文的开始和结束。协议规定的时间为3.5 个字符周期，就是说一帧报文开始前，必须有大于3.5 个字符周期的空闲时间，一帧报文结束后，也必须要有 3.5 个字符周期的空闲时间否则会出现粘包的情况。
  注意：针对 3.5 个字符周期，其实是一个具体时间，但是这个时间跟波特率相关，在串口通信中，1 个字符包括 1位起始位，8 位数据位（一般情况）， 1位校验位上（或者没有），1位停止位（一般情况下）。因此1 个字符包括 11个位，那么3.5 个字符就是38.5 个位，波特率表示的含义是每秒传输的二进制位的个位，因此如果是 9600 波特率，3.5 个字符周期=1000/9600*38.5=4.01ms

• 两者校验方式不同，ModbusRTU 是CRC 循环冗余校验，ModbusASCII是LCR 纵向冗余校验

• 在 Modbus 标准中，RTU 是必须要求的，ASCII 是可选项，即作一个 Modbus 通值设备可以是支持RTU，也可以支持RTU和ASCII，但不能只支持ASII

3.2 Modbus RTU报文的格式

ModbusRTU/ASII 报文格式： 从站地址 (1byte) +功能码 (1byte) +数据(N byte) +校验 (2 byte)

对于读取：
站地址：要找谁？一个网络中每一个从站设备都需要有自己的站地址，而且不能重复
功能码：要干什么？
数据：具体要怎么干？
校验：其前面的内容的校验

下图为将会介绍的Modbus RTU报文的举例

3.2.1 “1”号功能码：读线圈（输出线圈）

• 站地址：01，占1个字节
• 功能码：01，占1个字节
• 寄存器地址：寄存器的起始地址00 00，2个字节
• 寄存器数量：00 08读取的线圈数量
• CRC校验码：根据其前面的报文计算得到，CRC的计算方法这里不做介绍，一些串口调试助手可以自动计算得出

3.2.1.1 采用虚拟串口模拟串口硬件连接

仍然使用“Modsim”来进行模拟，利用“串口调试助手”进行模拟。硬件连接上可以有两种方式：

• 两根USB转串口的线相连连接到同一台电脑，打开两个串口线生成的COM口，软件上连接对应的COM口
• 利用虚拟串口软件，创建两个相互连接的虚拟串口
  此处采用虚拟串口的软件，创建一对相互连接的虚拟串口，虚拟创建COM1和COM3联通
  
  其他地方截到的软件全名信息
  

创建好后去电脑的设备管理器中去确认，可以看到COM1和COM3相互联通

在“串口调试助手”和“Modsim”中进行如下设置

此处讲解说“串口调试助手”是作为主站而“Modsim”作为从站，但我觉得是讲反了，需要后期再研究
发送上述报文之后得到的返回结果如下：

01 01 00 00 00 08 3D OC
01 01 01 21 91 90

返回的报文分析：
01站地址；
01功能码；
01是指读回数据21的字节计数，代表一个字节；
21返回数据，对应的二进制为0010 0001，可以看到是与Modsim中第1和第6个线圈为1是对应的，所以读取的数据没有问题；
91 90是CRC校验码，可以不用看

3.2.2 “2”号功能码：读离散量输入（输入线圈）

离散量输入也就是开关量输入，报文各部分含义基本上与上面的一致
发送和返回的报文内容如下图所示：

06 02 00 00 00 10 78 71
06 02 02 23 80 14 E8

报文返回2个字节数据，23 80，高字节在前23对应二进制0010 0011，与10001-10008位对应，80对应的二进制为1000 0000也是与10009-100016的值是对应的

3.2.3 “3”号功能码读保持寄存器

串口设备是不停的发设备，只需要不停接受就可以，但是Modbus协议的形式是一发一回的，发对的话就回。

3.2.4 “4”号功能码：读输入寄存器

报文各部分含义基本上与上面的一致
发送和返回的报文内容如下图所示：

20 04 00 00 00 06 76 B9
20 04 0C 00 0B 00 0C 00 00 00 00 00 00 0F FF 41 38

返回的报文分析：
20站地址；
04功能码；
0C是指读回数据的字节计数，代表12个字节；
一个寄存器对应2个字节即1个字，00 0B表示第一个寄存器值为十进制11、00 0C表示第二个寄存器的值为十进制的12、0F FF表示第6个寄存器的值为十进制的4095；
41 38是CRC校验码，可以不用看

3.2.5 “5”号功能码：写单个线圈

此处因为是单个线圈，只需要单个线圈的地址和写入的数据即可。即将第5个寄存器置为1，FF 00是置为1的意思
发送和返回的报文内容如下图所示：

08 05 00 04 FF 00 CD 62
08 05 00 04 FF 00 CD 62

发送及返回报文一致

3.2.6 “10H”号功能码：写多个保持寄存器（下图中是写错了）

发送和返回的报文内容如下图所示：

12 10 00 00 00 02 04 04 57 08 AE 9E B7
12 10 00 00 00 02 43 6B

以上即为Modbus RTU报文的讲解。

3.2.7 CRC校验码生成方法

利用“串口调试助手”，以1号功能码的报文为例，计算CRC校验码的方法如下图所示：

在实际使用中，设备之间的报文可以通过一些监视工具去监视通讯报文

以上大部分内容来自于：Modbus通信讲解；

4. Modbus RTU通信实例

此部分以实际使用到Modbus的设备-温湿度传感器，并使用ModbusPoll作为主站来读取温湿度，讲解 Modbus RTU通信

4.1 Modbus的设备-温湿度传感器

温湿度传感器套装使用说明
1、温湿度传感器 (4个)
2、开关电源
3、二孔插头
4、端子(一个是作为电源端子，一个是作为485端子)
5、4根1米左右的电线，一米要分成5部分，每部分是20cm
6、螺丝刀
7、485转USB转接器
调试使用:
湿度: 40001，读取的值要除以10  40001和40002是保持寄存器地址
温度: 40002，读取的值要除以10
从站地址: 42001
波特率: 42002(0位2400,1位4800,2位9600)
第一步要分别把4个模块地址分别设置为1 2 3 4

4.2 Modbus RTU通信方法

此处采用模拟的主站连接实际的存在：


读到的值

Tx: 01 03 00 00 00 02 C4 0B
Rx: 01 03 04 00 49 01 29 EB AB

00 49是湿度值（实时变化，不一定和上面截图一致）：0+73=73；01 29是温度值：1*256+41=297

通讯链路上全都是字节数组，上位机中可以通过字节数组来存储数据

上述部分参考链接：Modbus详解1；Modbus详解2；Modbus详解3；Modbus详解4

5. 了解基础比较好的视频（发现的比较晚，本人未看，有时间了再看）：

RS232、RS485和TCP上的Modbus通信（1）；RS232、RS485和TCP上的Modbus通信（2）；RS232、RS485和TCP上的Modbus通信（3）

6. 下一篇将会以西门子PLC软件搭建ModbusTCP仿真环境，并通过仿真环境，介绍基础知识及模拟实际应用中写一个简单的通信读取PLC数据方法

7. 使用到的测试软件，见：Modbus通信从入门到精通中使用到的测试软件