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1 Modbus
1.1 Modbus是啥
Modbus是一种协议。
其名称源于Modicon + Bus，其中Modicon是现在施耐德公司旗下的品牌，Bus是总线的意思。所以Modbus是Modicon公司在1979年为PLC通信而发表的一种串行通信协议。
1.2 应用
通过此协议，控制器（如PLC）可以相互之间、也可以经由网络（以太网）和其他设备之间通信。由于它早期的开放、公开、无版权要求、免费，并且使用简单，现在已经成为了通用的工业标准。有了它，不同厂商生产的设备可以连成工业网络，进行集中监控。
该协议采用主从通信的模式，典型的主设备（master）包括现场仪表、工控机、显示面板，典型的从设备（slave）为可编程逻辑控制器（PLC）。
1.3 协议变体及区别
Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP，并没有规定物理层。
此协议定义了控制器能够识别和使用的消息结构，而不管它是经过何种网络进行通信的。
Modbus的两种常见变体：Modbus RTU和Modbus TCP。下面讨论一下两者的区别。
1.3.1 物理层
Modbus RTU采用串行通信方式，利用RS-232或RS-485进行数据传输（规定了传输的电气标准、机械接口标准等）。它使用二进制编码来实现通信。与之相反，Modbus TCP采用以太网的通信方式，使用TCP/IP协议栈在网络上进行数据传输。（由此可见，Modbus协议是在物理层之上的，它不依赖于具体的物理实现；也是网络层之上的，因为它可以用TCP/IP传输；它是应用层的协议）
1.3.2 帧结构
Modbus RTU采用紧凑的二进制格式对数据帧进行封装。每个数据帧包含从站地址、功能码、数据和错误校验等字段。而Modbus TCP则采用基于TCP/IP的报文结构，将Modbus数据帧封装在TCP报文中，然后通过IP网络进行传输。
1.3.3 传输速率
由于Modbus RTU是基于串行通信的，因此其传输速率受限于串行接口的性能。通常情况下，Modbus RTU的传输速率较低，在几千比特每秒到几十千比特每秒之间。与之相比，Modbus TCP使用以太网作为物理介质，支持更高的传输速率，可以达到以太网的标准速率，如10Mbps、100Mbps或1Gbps。
1.3.4 连接方式
Modbus RTU采用点对点的连接方式，也就是一对一的通信模式。一个主站可以连接多个从站，但每次只能与一个从站进行通信。相反，Modbus TCP采用基于IP的客户端-服务器模型，支持多对多的连接方式。多个客户端可以同时与一个Modbus TCP服务器进行通信。
1.3.5 网络依赖性
Modbus RTU不依赖于网络基础设施，可以在简单的串行连接上进行通信，适用于较小的局域网。Modbus TCP则依赖于TCP/IP网络，需要可靠的网络基础设施支持，适用于更大规模的分布式系统。
1.3.5 安全性
Modbus RTU没有内置的安全机制，通信数据未经加密，因此容易受到安全威胁。Modbus TCP可以利用TCP/IP的安全特性，例如加密和认证，提供更高的安全性。
1.4 传输方式
1.4.1 协议数据单元
Protocol Data Unit，即协议数据单元，缩写PDU，由功能码+数据组成，
功能码——1字节，表示要执行的功能；
数据长度——表示要读取的地址或要写入的值，不同的功能码对应的数据有所不同。
PDU有三种类型：
- 请求型协议数据单元（Request PDU）；
- 应答型协议数据单元（Response PDU）；
- 异常应答型协议数据单元（Exception Response PDU）。
PDU是Modbus协议通用数据结构，它与底层物理结构无关。但通信时，需要依赖于物理网络。因此要把PDU映射到物理网络上，这就形成了应用数据单元（Application Data Unit，ADU）。由于底层网络不同，RTU应用数据单元的结构与TCP应用数据单元的结构不通。
TCP ADU在PDU的基础上，添加了一个叫MBAP头的结构，即 ModBus Application 应用数据单元。
| 名称 | 长度 | 描述 | 客户端 | 服务器 |
|---|---|---|---|---|
| Transaction Identifier /传输标识符 | 2字节 | 用来标识请求/应答帧 | 由客户端初始化 | 服务器拷贝该标识 |
| Protocol Identifier 协议标识符 | 2字节 | 0 = Modbus | 由客户端初始化 | 服务器拷贝该标识 |
| Length 长度 | 2字节 | 接下来发送数据的长度 | 由客户端初始化 | 服务器拷贝该标识 |
| Unit Identifier 单元标识符 | 1字节 | 串行链路或其他总线上的站标识 | 由客户端初始化 | 服务器拷贝该标识 |
其中：
- 传输标识符：用于标识ADU，即请求和应答之间的配对；客户端对该部分进行初始化，服务端将其拷贝到自己的ADU中；
- 协议标识符：系统间的协议标识，0代表Modbus；
- 长度：接下来要发送的数据长度，即：单元标识符+PDU的总长度，以字节为单位；
- 单元标识符：用于系统间的站寻址，比如在以太网+串行链路中，远程站的地址；
1.5 Modbus协议数据模型
Modbus协议允许设备将四种数据分别映射到不同的存储区中，各个区块之间相互独立，使用不同的功能码可以读取到相应的数值，如下图：
Modbus数据模型映射到不同的存储区块
协议也允许设备将四种数据映射到同一存储区块中，这样通过不同的功能码读取数据可能会得到相同的数据（比如：输入寄存器和保持寄存器位于同一物理区块）。
数据模型中的数据最大允许有65536个元素，编号从1开始：1~65536，元素地址从0开始：0~65535。
需要说明的是，65536只是协议允许的最大元素范围，但并不要求全部实现。Modbus协议允许设备根据自己的实际情况实现部分元素，甚至不要求实现模型中的全部四种数据。
1.6 Modbus地址模式
为了简化数据模型与设备存储区的对应关系，引入了一种地址模型，该模型通过编号的方式对不同类型数据区分，各数据的地址编号如下：
| Modbus数据模型/数据区 | Modbus地址编号 |
|---|---|
| 线圈 | 0 |
| 离散量输入 | 1 |
| 输入寄存器 | 3 |
| 保持寄存器 | 4 |
Modbus地址模型
Modbus地址模型的编号从1开始，由于每种数据最大支持65536个元素，因此理论上，
- 线圈型数据，地址范围为：000001~065536；
- 离散型输入，地址范围为：100001~165536；
- 输入寄存器，地址范围为：300001~365536；
- 存储寄存器，地址范围为：400001~465536；
由于65536是较大的数值，实际应用一般不需要过大的存储区，因此PLC厂家普遍采用的是10000以内的地址范围，即：
- 线圈型数据：00001~09999；
- 离散型输入：10001~19999；
- 输入寄存器：30001~39999；
- 存储寄存器：40001~49999；
下面是两款PLC的地址表：
各PLC厂家根据PLC的实际情况，将Modbus的地址模型映射到实际的存储区。一般来说：
- 线圈——过程输出区（Q）；
- 离散量输入——过程输入区（I）；
- 输入寄存器——模拟量输入（AI）；
- 保持寄存器——数据块或V存储区或M存储区。
Modbus地址模型对RTU、ASCII和TCP都适用。