一、Modbus背景介绍
Modbus是一种用于工业自动化控制系统的通讯协议，由Modcion（施耐德电气）于1979开发的，目的是为了实现不同设备之间的互操作性，广泛用于连接电子设备以实现数据交换。
开放标准：开放协议，任何人都可以免费试用和实现。
二、主要特点
Modbus适配多种物理层（RS232/RS485/以太网），仅定义协议数据单元（PDU、PTU），底层依赖物理层与数据链路层。
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1、主从架构
采用主从架构。一个主设备可以与多个从设备通信，从设备之间不直接通信。主设备采用轮询/广播的方式发出命令，从设备响应。
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- 主设备：主动发起请求（一般为PLC、HMI等），一条总线上仅有一个主站，地址0为广播地址。
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- 从设备：被动响应（一般为传感器、变频器、IO等），地址1~247，仅响应匹配地址的请求。有的从设备可能会主动上传错误码。
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2、多种传输方式
随着技术发展，Modbus也演变了多个版本和变体，以适应不同的通信需求和物理介质。比如常用的Modbus PTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP等。
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3、简洁的数据模型
定义了一种简单的数据模型，仅包含四种数据类型：离散输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器。
三、Modbus通信流程
Modbus是一个请求/应答的协议，提供统一的功能码用于数据传输服务。
Modbus设计了一套简洁的通信格式，协议规定了PDU（protocol data unit）模型，即功能码+数据的格式。同时，为了适应多种传输模式，在PDU的基础上添加了必要的前缀（地址域）和后缀（差错校验）形成了ADU（application data uint）模型。
主站创建Modbus应用数据单元形成查询报文，其中功能码标识从机设备将要执行哪种操作。主机发送报文，从机设备接收报文，并根据功能码做出相应的动作，并将响应报文返回给主机设备。
一般来说，若从站收到的是正确报文，且接收无误的话，此时会返回正常响应报文。
但是有异常情况的话，从设备一般返回一个与原始功能码等同的码值，但是设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1，从而通知主站。
四、常见的传输方式
Modbus可用于串行链路或TCP/IP以太网。传输方式定义了在传输过程中连续消息段的每一个字节，继而决定着如何将信息打包成消息域和如何解码等。
Modbus在OSI模型上：
4.1、Modbus PTU
PTU模式通过二进制格式传输数据，具有高效、可靠等特点，常用于串行链路上，比如RS232和RS485上。数据帧之间要有3.5个字符间隔。
帧结构：
4.2、Modbus ASCII
该模式以ASCII方式传输数据，在消息中每个8位的字节都将作为两个ASCII字符发送。消息以冒号（：即0x3A）开始，以回车换行符结束（0x0D），其它字段则采用十六进制为传输字符。具有文本可读，调试方便，适用于低速短距的场景。
Modbus设备通过不断侦测"："字符，当有一个冒号接收到时，便进入解码阶段，并开始解码下一个字段（地址域）来判断消息是否是发给自己的。消息帧中字符间的发送间隔时间最长不能超过1秒，否则接收设备将认为传输错误。
帧结构：
为什么我在开发主设备的时候，并不需要判断"："字符呢？一般是需要的，用于判别数据帧的开始。
4.3、Modbus TCP/IP
采用MBAP头（7字节）+RTU帧（无CRC），端口使用502，具有支持多主，跨网络等有点。（没用过，后续补充）
五、数据模型
Modbus中一个重要概念就是寄存器，所有的数据都存放在寄存器中，指一片内存区域。Modbus中寄存器是用于存储数据和状态信息的基本单元。
协议按照存放的数据类型和读写特性等，将寄存器分为四种，即线圈、离散输入状态、保持寄存器、输入寄存器。
| 寄存器种类 | 读写性 | 位宽 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 线圈 | RW | 1bit | 输出端口，常用于继电器、阀门等 |
| 离散输入 | RO | 1bit | 输入端口，常用于采集开关量信号，如拨码开关等 |
| 保持寄存器 | RW | 16bit | 存储控制参数，常用于配置、控制参数等 |
| 输入寄存器 | RO | 16bit | 输入参数，常用于采集温度等模拟量信号 |
六、功能码
功能码用于告知从站操作类型，常见的功能码如下：
| 功能码 | 寄存器类型 |
|---|---|
| 1 | 读取线圈 |
| 2 | 读取离散输入 |
| 3 | 读取保存寄存器 |
| 4 | 读取输入寄存器 |
| 5 | 写入单个线圈 |
| 6 | 写入单个保存寄存器 |
| 15 | 写入多个线圈 |
| 16 | 写入多个保存寄存器 |
当从站识别出数据包，但确认请求中存在错误时，将返回异常代码恢复，而不是数据回复。异常代码一般由从站地址/单元号、设置了高位的功能代码副本和附加异常代码组成。比如功能代码为0x03，则异常功能代码副本为0x83。
附加异常代码常见的如下：
| 异常码 | 说明 | 备注 |
|---|---|---|
| 1 | 非法的功能码 | 查询中收到的功能代码不被从站识别或允许 |
| 2 | 非法的数据地址 | 寄存器不存在 |
| 3 | 非法的数据值 | 数据值对于从站来说是不可接受的 |
| 4 | 从设备故障 | 从站常识执行请求的操作时发生不可恢复的错误 |
| 5 | 从设备忙 | 从设备正在处理一个长时间的命令，主设备应稍后重试 |
七、如何使用Modbus
一般可以通过开源库或自行实现两种方式实现设备对Modbus协议的支持。
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推荐 libmodbus（跨平台，支持 RTU/TCP）、FreeModbus（嵌入式，Slave 为主），快速部署。
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自行实现步骤：串口初始化→帧接收→CRC/LRC 校验→功能码解析→数据读写→响应帧组装→发送。
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可以访问 Modbus官方获取 Modbus 协议规范的副本。主要关注三个文件： (1) 应用层协议，定义功能代码和寻址； (2)串行线路(RTU)使用的定义； (3)以太网使用(TCP)的定义。