Modbus协议深入解析

Modbus协议是一种串行通信协议，主要用于工业自动化系统中，由Modicon公司（现在的施耐德电气）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发明。Modbus已经成为工业领域通信协议的事实标准。

1. 主从模式

在Modbus协议中，通信是基于主从模式进行的。主设备（Master）负责发起通信请求，从设备（Slave）负责响应这些请求。这种模式可以类比为IT领域中的客户端-服务器模型，其中服务器相当于从设备，客户端相当于主设备。

2. 数据类型

Modbus协议定义了四种数据类型：离散量输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器。

2.1 线圈

线圈寄存器可以类比为开关量，每一个bit都对应一个信号的开关状态。因此，一个byte可以同时控制8路的信号，例如控制外部8路io的高低。线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。对应的功能码是：0x01（读）、0x05（写单个）、0x0f（写多个）。

2.2 离散输入

离散输入寄存器与线圈寄存器类似，但它只能读取输入的开关信号，不能写。例如，我们可以读取外部按键的按下还是松开状态。对应的功能码是0x02。

2.3 保持寄存器

保持寄存器的单位是两个byte，可以存放具体的数据量，并且是可读写的。例如，我们可以设置时间年月日，不仅可以写入，也可以读取当前的时间。写操作分为单个写和多个写，所以功能码有对应的三个：0x03（读）、0x06（写单个）、0x10（写多个）。

2.4 输入寄存器

输入寄存器与保持寄存器类似，但它只支持读操作，不能写。一个寄存器占据两个byte的空间。例如，我们可以通过读取输入寄存器获取当前的AD采集值。对应的功能码是0x04。

3. Modbus协议的帧结构

Modbus协议的帧结构主要包括设备地址、功能码、数据和校验码四部分。

• 设备地址：用于标识从设备的唯一地址。
• 功能码：用于指定主设备要执行的操作，如读取或写入数据。
• 数据：根据功能码的不同，数据部分可以是要读取或写入的数据，也可以是执行操作的结果。
• 校验码：用于检查数据传输是否出错。

4. Modbus协议的通信过程

Modbus协议的通信过程主要包括请求和响应两个阶段。

• 请求阶段：主设备发送一个包含设备地址、功能码和数据的请求帧到从设备。
• 响应阶段：从设备接收到请求帧后，根据功能码执行相应的操作，然后将结果封装在响应帧中返回给主设备。

5. Modbus协议的应用场景

Modbus协议广泛应用于工业自动化领域，如制造业、能源管理、楼宇自动化等。它可以用于连接各种设备，如PLC、传感器、执行器等。

6. 总结

Modbus协议是工业自动化领域广泛使用的通信协议，它基于简单的主从模式，定义了四种数据类型，可以满足各种通信需求。理解Modbus协议的基础知识，对于工业自动化领域的工程师来说，是非常重要的。