Modbus協議

概述

Modbus誕生于1979年，莫迪康Modicon公司(傳聞是發明了第一臺PLC的公司，后被施耐德電氣公司收購)，目前是工業領域應用最廣泛的通信協議。
Modbus之所以使用廣泛，主要原因是：
Modbus協議標準開放、無專利保護，任何廠商都可以用
Modbus協議支持多種電氣接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，還可以在各種介質上傳輸，如雙絞線、光纖、紅外、無線等
Modbus協議消息幀格式簡單、緊湊、通俗易懂。用戶理解和使用簡單，廠商容易開發和集成，方便形成工業控制網絡
Modbus協議數據模型統一，通過預定義寄存器地址讀寫數據
Modbus協議是一種應用層報文傳輸協議，協議本身并沒有定義物理層，而是定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，這就使得它可以在不同的物理層上實現設備和設備之間的通信。下表是Modbus協議在不同物理層應用舉例。

其中在工業上最常見的就是ModbusRTU和ModbusTCP,一個是使用雙絞線走RS485協議標準，一個是使用標準網線走TCP/IP協議標準。

數據模型

Modbus 定義了四種主要的數據區（寄存器類型），具體根據不同的通信對象（設備），會對應到PLC、變頻器、智能儀表等內部的存儲區，具體需要查看PLC、變頻器、智能儀表的對應說明：

功能碼

協議通過功能碼結合設備地址+數據區地址實現對設備存儲信息的讀寫。功能碼如下表所示：

異常功能碼

所有異常響應 = 功能碼 + 0x80（如 0x03 → 0x83）

關鍵說明

1. 地址映射規則：

   • 所有Modbus地址在協議中轉換為0-based地址（如40001 → 0x0000）
   • 部分設備需要偏移（如40001 → 0x0001）

2. 數據打包規則：

   • 位操作：8位/字節（LSB優先）
   • 字操作：大端序（高位在前）

3. 數量限制：

   • 讀操作最大數量受協議限制（位操作2000，字操作125）
   • 寫操作數量受設備內存限制

4. 混合操作：

   • FC23（0x17）可同時讀寫寄存器，提升通信效率

ModbusRTU

01ModbusRTU讀取線圈狀態（多個位）

樣例1

ModbusRTU協議按照下列模式發送報文

代表讀取從站地址1的設備，地址從0開始的5個線圈的狀態。
使用串口調試軟件以Hex格式發送

010100000005FC09

收到反饋

01 01 01 0A D1 8F 

代表

樣例2

再試一次，讀取多一點線圈數據。
發送

01 01 00 00 00 20 3D D2

收到響應

01 01 04 8A 10 02 00 D1 6C

分別代表，發送

收到響應解釋

線圈狀態解析（按順序）

串口調試軟件截圖

ModSim43截圖

02ModbusRTU讀取離散輸入狀態

報文格式與01讀線圈類似

樣例

使用串口調試助手發送

010200000005B809

收到響應
``·bash
01 02 01 09 61 8E
···

收到響應解釋

串口調試軟件截圖

ModSim截圖

由于發送的讀取輸入報文是讀5個輸入點的信號，所以可以看到，即使ModSim的輸入6、7位都是ON，但收到的代表輸入狀態的值仍是09也就是00001001(LSB first 最低有效位在前）。

這里有一點需要注意，ModSim的寄存器或線圈的地址都是從1開始計數，而使用ModbusRTU讀寫命令的地址是從0開始，這一點需要進行匹配。也就是Modbus命令寄存器地址n對應Modsim的寄存器地址n+1。