浅谈Modbus协议

Modbus协议介绍

Modbus协议是一种应用层通信协议，最初由Modicon（现为施耐德电气的一部分）在1979年开发，设计用于可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。它是一种工业标准协议，支持多种通信方式，如串行通信（RS-232/RS-485）和以太网通信（Modbus TCP/IP）。以下是对Modbus协议的详细介绍：

一、Modbus协议基本概念

1. 通信模式：
   • 主从模式（Master-Slave）：单个主机（Master）可以与多个从设备（Slave）通信。
   • 请求-响应模式：主设备发送请求，从设备返回响应。
2. 数据表示：
   • 数据以二进制字节流的形式传输。
   • 支持以下基本数据类型：
     • 单位数值：16位寄存器（通常为无符号整型）。
     • 布尔值：单个位。
     • 扩展数据：通过多个寄存器组合实现浮点数、长整型等。
3. 地址范围：
   • 每个从设备有一个唯一地址（通常为1-247）。
   • 主机通过从设备地址定位通信对象。

二、Modbus协议的功能码（Function Codes）

Modbus协议通过功能码指定操作类型，常见功能码包括：

1. 读操作：
   • 01：读取线圈（Coils）状态。
   • 02：读取离散输入（Discrete Inputs）状态。
   • 03：读取保持寄存器（Holding Registers）。
   • 04：读取输入寄存器（Input Registers）。
2. 写操作：
   • 05：写单个位（线圈）。
   • 06：写单个寄存器。
   • 15：写多个位（线圈）。
   • 16：写多个寄存器。
3. 诊断操作：
   • 08：诊断功能，如回环测试（Loopback Test）。

三、Modbus协议的帧结构

Modbus协议的帧结构根据通信方式不同，主要分为Modbus RTU和Modbus TCP/IP两种。

1. Modbus RTU帧结构

Modbus RTU是基于串行通信的方式，数据格式紧凑，高效。

• 帧结构：字段长度 (字节)描述从站地址1标识目标设备的地址。功能码1指示执行的操作类型。数据字段N操作相关的具体数据，长度由功能码决定。校验码（CRC）2用于错误检测的循环冗余校验码。
• 特点：
  • 数据帧之间通过时间间隔区分。
  • CRC校验增强了通信的可靠性。

2. Modbus TCP/IP帧结构

Modbus TCP/IP基于以太网通信，数据传输速度更快，适用于现代网络环境。

• 帧结构：字段长度 (字节)描述事务标识符2标识请求和响应的匹配关系。协议标识符2固定为0x0000，表示Modbus协议。长度字段2表示后续数据的总长度（字节数）。单元标识符1对应Modbus RTU中的从站地址。功能码1操作类型。数据字段N操作相关数据。
• 特点：
  • 取消了CRC校验，依赖TCP/IP的错误检测机制。
  • 可实现远程通信，无需传统串行网络限制。

四、Modbus寄存器与数据模型

Modbus协议将设备的内部数据分为以下四种数据类型，每种类型有独立的地址空间：

1. 线圈（Coils）：
   • 类型：读写。
   • 数据内容：单个位。
   • 地址范围：00001 – 09999。
2. 离散输入（Discrete Inputs）：
   • 类型：只读。
   • 数据内容：单个位。
   • 地址范围：10001 – 19999。
3. 输入寄存器（Input Registers）：
   • 类型：只读。
   • 数据内容：16位整数。
   • 地址范围：30001 – 39999。
4. 保持寄存器（Holding Registers）：
   • 类型：读写。
   • 数据内容：16位整数。
   • 地址范围：40001 – 49999。

五、Modbus的优缺点

1. 优点：

• 简单易用：结构清晰，易于实现和调试。
• 兼容性强：广泛支持于工业设备。
• 灵活性高：支持多种通信方式（RTU/ASCII/TCP）。
• 可靠性高：RTU模式通过CRC确保数据完整性。

2. 缺点：

• 无安全性：缺乏身份验证和加密，易受攻击。
• 带宽限制：Modbus RTU数据帧短，适合低速通信。
• 地址空间有限：支持的设备地址较少。

六、Modbus的应用场景

1. 工业自动化：
   • PLC与传感器之间的数据采集和控制。
   • HMI与PLC之间的通信。
2. 能源管理：
   • 智能电表的远程抄表。
   • 电力系统的状态监测。
3. 楼宇自动化：
   • 空调、照明系统的集中控制。
   • 电梯运行状态监控。
4. 远程监控：
   • 石油管道压力监测。
   • 农业灌溉系统自动化控制。

七、Modbus协议的扩展与改进

1. Modbus Plus：
   • 提高了通信速率，支持多主设备网络。
2. Modbus TCP/IP：
   • 扩展到以太网环境，支持Internet远程通信。
3. Modbus Secure：
   • 提供基于TLS/SSL的安全通信。

---

Modbus数据包完整解释示例

下面以**Modbus RTU协议读取保持寄存器（Holding Registers）**的请求和响应为例，完整解析数据包的各个部分。

场景假设

1. 主设备请求从设备地址 1。
2. 请求读取从地址 40001 对应的保持寄存器起始地址（实际地址 0000），读取 2 个寄存器（即 4 个字节）。
3. 从设备返回对应的数据。

1. Modbus RTU 请求帧结构解析

请求数据包：

字段	数据	长度 (字节)	说明
从站地址	0x01	1	指定目标设备地址为 1。
功能码	0x03	1	表示读取保持寄存器的功能码。
起始地址高字节	0x00	1	寄存器起始地址的高字节（起始地址 0000 的高字节）。
起始地址低字节	0x00	1	寄存器起始地址的低字节（起始地址 0000 的低字节）。
寄存器数量高字节	0x00	1	请求读取寄存器数量的高字节（读取 2 个寄存器）。
寄存器数量低字节	0x02	1	请求读取寄存器数量的低字节（读取 2 个寄存器）。
CRC校验低字节	0xC4	1	CRC16 校验码的低字节（自动计算）。
CRC校验高字节	0x0B	1	CRC16 校验码的高字节（自动计算）。

完整请求帧（十六进制表示）：

复制编辑01 03 00 00 00 02 C4 0B

字段逐步解析：

1. 从站地址（0x01）：
   • 表示请求发送到地址为 1 的从设备。
2. 功能码（0x03）：
   • 表示读取保持寄存器（Holding Registers）的请求。
3. 起始地址（0x0000）：
   • 请求从寄存器地址 40001 开始（Modbus地址40001的实际地址为0000）。
4. 寄存器数量（0x0002）：
   • 请求读取 2 个寄存器的数据。
5. CRC校验（0xC40B）：
   • 用于错误检测的循环冗余校验码，由请求帧前面的所有字节计算得出。

2. Modbus RTU 响应帧结构解析

响应数据包（假设从设备返回两个寄存器的值分别为 0x1234 和 0x5678）：

字段	数据	长度 (字节)	说明
从站地址	0x01	1	表示响应来自地址为 1 的从设备。
功能码	0x03	1	表示读取保持寄存器的功能码。
数据字节计数	0x04	1	表示后续数据部分的字节数，共 4 个字节（2 个寄存器，每个 2 字节）。
数据1高字节	0x12	1	第一个寄存器（40001）的高字节。
数据1低字节	0x34	1	第一个寄存器（40001）的低字节。
数据2高字节	0x56	1	第二个寄存器（40002）的高字节。
数据2低字节	0x78	1	第二个寄存器（40002）的低字节。
CRC校验低字节	0x5D	1	CRC16 校验码的低字节（自动计算）。
CRC校验高字节	0xCA	1	CRC16 校验码的高字节（自动计算）。

完整响应帧（十六进制表示）：

mathematica复制编辑01 03 04 12 34 56 78 5D CA

字段逐步解析：

1. 从站地址（0x01）：
   • 表示响应来自地址为 1 的从设备。
2. 功能码（0x03）：
   • 表示设备成功执行了读取保持寄存器的操作。
3. 数据字节计数（0x04）：
   • 表示返回的寄存器数据部分共有 4 个字节。
4. 数据部分：
   • 第一个寄存器（40001）：高字节 0x12，低字节 0x34，合并后为 0x1234。
   • 第二个寄存器（40002）：高字节 0x56，低字节 0x78，合并后为 0x5678。
5. CRC校验（0x5DCA）：
   • 用于检测响应数据的完整性和正确性。

3. CRC校验计算

CRC校验采用 Modbus CRC16算法 计算以下部分：

• 请求帧校验范围：01 03 00 00 00 02。
• 响应帧校验范围：01 03 04 12 34 56 78。

计算步骤：

1. 初始值为 0xFFFF。
2. 逐字节计算，更新CRC值。
3. 最终结果是 2 字节，分别存储为低字节和高字节。

4. 总结

• 请求帧结构清晰，从站地址、功能码、起始地址、寄存器数量、CRC校验组成。
• 响应帧包含返回数据和相关信息，如数据字节计数、寄存器值及CRC校验。
• 数据解析直接基于功能码和数据结构，适合实现灵活的工业自动化系统。

如果需要实际代码实现，可以进一步探索基于Python、C或其他语言的Modbus通信库，如 pymodbus 或 libmodbus。

---

Modbus地址与寄存器地址

1. Modbus地址与寄存器地址的概念

• Modbus地址：
  • 用户可读的逻辑地址，用于表示不同类型的数据，例如保持寄存器、输入寄存器、线圈、离散输入等。
  • Modbus地址从1开始（例如40001），符合人类习惯的编号方式。
• 寄存器地址：
  • 实际的数据存储地址，是从0开始的偏移量，表示寄存器在设备中的位置。
  • 计算机内部存储从0起始，因此寄存器地址比Modbus地址少1。

2. Modbus地址与寄存器地址的关系

Modbus协议将设备的数据存储划分为以下四种区域，每种区域有对应的逻辑地址范围和寄存器地址范围：

数据类型	Modbus地址范围	寄存器地址范围	Modbus地址示例	实际地址
线圈（Coils）	00001 – 09999	0 – 9998	00001	0
离散输入	10001 – 19999	0 – 9998	10001	0
输入寄存器	30001 – 39999	0 – 9998	30001	0
保持寄存器	40001 – 49999	0 – 9998	40001	0

在Modbus协议中：

• Modbus地址 = 实际寄存器地址 + 起始偏移量。
• 对于保持寄存器，起始偏移量为 40001。

3. 为什么“地址40001”的实际地址是“0000”？

按照上述关系，Modbus地址40001 对应的实际寄存器地址可以通过以下公式计算：实际地址=Modbus地址−起始偏移量实际地址 = Modbus地址 – 起始偏移量实际地址=Modbus地址−起始偏移量

对于保持寄存器：实际地址=40001−40001=0实际地址 = 40001 – 40001 = 0实际地址=40001−40001=0

因此，Modbus地址 40001 的实际寄存器地址为 0000。

4. 历史原因与设计初衷

• 人类友好性：
  • 逻辑地址从1开始（如40001）更符合人类习惯，而计算机内部通常从0开始。
• 数据类型区分：
  • Modbus协议使用逻辑地址的第一个数字区分数据类型。例如：
    • 4xxxx 表示保持寄存器。
    • 3xxxx 表示输入寄存器。
  • 这种设计在工业设备的配置和调试中具有很高的可读性。

5. 实际应用中的注意事项

• 寄存器地址与Modbus地址的转换：
  • 编写Modbus客户端时，很多库（如pymodbus）要求输入的是实际寄存器地址，而非Modbus地址。
  • 如果需要读取Modbus地址 40001，应将其转换为寄存器地址 0。
• 误解与问题：
  • 用户有时会混淆两种地址，导致通信失败。例如：
    • 请求地址40001时输入寄存器地址40000，会引发错误。

6. 总结

• Modbus地址40001的实际地址为0000 是由于 Modbus地址从1起始，而寄存器地址从0起始。
• 这种设计提高了数据类型区分的可读性，同时需要在实际实现中正确转换地址。
• 熟悉地址关系对于避免通信错误至关重要。