Modbus 协议 学习一则
Modbus 协议一文学习 了解 OSI模型、TCP/IP模型、网络封包
Modbus 是一种通信协议，用于在工业自动化领域中的设备之间进行数据交换。它是一种简单而广泛使用的串行通信协议，用于将控制设备（如传感器、执行器、PLC等）与监控设备（如计算机、远程终端等）连接起来。
Modbus RTU、ASCII、TCP 的区别
Modbus的协议版本 包括Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP、Modbus UDP/IP等
[*]Modbus RTU与Modbus ASCII，都使用串口通讯协议，Modbus RTU使用二进制格式进行数据传输，通讯效率更高，Modbus ASCII使用ASCII码进行数据传输，可读性好，但通讯效率更低。
[*]Modbus TCP/IP是基于以太网的一种通讯方式，它将Modbus协议封装在TCP/IP协议栈中，通过以太网传输数据。具有高速、稳定的特点。
[*]Modbus UDP/IP是基于UDP/IP协议的一种通讯方式
Modbus RTU使用二进制编码进行通信，而Modbus ASCII则使用可打印的ASCII字符。Modbus RTU是更常用的版本，因为它在数据传输效率方面更高。
Modbus协议采用主从结构，其中一个设备充当主站（主机），负责发起通信请求和控制操作，而其他设备则充当从站（从机），接收主站的请求并提供数据。只能主站发起请求，从站不能，发起请求
Modbus 结构
1. 数据传输格式
协议类型数据编码帧结构示例RTU二进制紧凑的二进制数据，直接传输十六进制字节（如 0x01）。ASCIIASCII字符数据转换为可读的ASCII字符（如 "0" → 0x30），每字节拆分为两个ASCII字符。:010300010001D5CATCP二进制（基于TCP）在TCP/IP协议栈上传输，添加MBAP头（Modbus Application Protocol header）。0001000000060103000100012. 帧结构与分隔符
协议类型帧起始符帧结束符校验方式字节间隔要求RTU无无CRC（2字节）严格时间间隔（3.5字符）ASCII:（冒号）CR+LF（回车换行）LRC（纵向冗余校验）无严格间隔要求TCPMBAP头通过TCP包长度标识无额外校验（依赖TCP/IP校验）无间隔要求3. 传输效率
协议类型效率RTU高：二进制编码，数据紧凑，适合低速串行链路（如RS-485）。ASCII低：每个字节需转换为2个ASCII字符（如0xA1→"A""1"），传输数据量翻倍。TCP高：基于TCP/IP，支持高速网络，但需额外添加MBAP头（7字节）。4. 校验方式
协议类型校验机制校验范围RTUCRC-16（循环冗余校验）整个数据帧（地址+功能码+数据）ASCIILRC（纵向冗余校验，1字节）数据字段（不包含起始/结束符）TCP依赖TCP/IP校验（无额外Modbus层校验）TCP/IP协议栈自动校验
[*]RTU / CRC-16-IBM
CRC-16的算法有多种变种，Modbus使用的是CRC-16-IBM
以 0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x08,0x44,0x0C的 0x3 请求为例 其中0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x08 的CRC-16 (Modbus) 实际计算工具检验码是（0x440C）
按大端序输出：高字节 0x0C → 0x44
byte[] data = {0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x08};crc-calculation - https://www.lammertbies.nl/comm/info/crc-calculation
5. 物理接口
协议类型传输介质典型速率应用场景RTURS-485/RS-2321.2kbps - 115.2kbps工业现场设备（PLC、传感器）ASCIIRS-485/RS-232低于RTU（因效率低）调试场景（数据可读性强）TCP以太网（TCP/IP）10Mbps - 1Gbps工厂局域网、SCADA系统远程通信数据帧格式
无论哪一种Modbus协议版本的帧格式都是一样的
数据帧部分描述占用字节设备地址（Slave ID）识别从站的唯一地址1字节功能码（Function Code）主机对从机实现的操作，功能码1字节数据区（Data Field）包含功能码所需的数据或返回的数据可变错误校验（CRC）循环冗余校验，用于错误检测2字节主站发出的功能码 01 ~ 06 的请求时, 数据一定的8个字节(数据区使用1个字节表示开始地址, 1个字节表示长度)
数据/地址类型
Modbus中定义的四种数据类型
[*]离散输出（Discrete Outputs）:
[*]这些寄存器也称为线圈（Coils），它们代表二进制输出（0 或 1），通常用于控制开关设备。
[*]地址范围通常是 0x00001 到 0xFFFFF（Modbus TCP）或 0x0000 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
[*]功能码 01（读取线圈状态）和 05（写入单个线圈）用于离散输出。
[*]离散输入（Discrete Inputs）:
[*]这些寄存器代表二进制输入状态，它们是只读的，通常用于表示传感器或开关的状态。
[*]地址范围通常是 0x10001 到 0x1FFFF（Modbus TCP）或 0x0001 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
[*]功能码 02（读取离散输入状态）用于离散输入。
[*]保持寄存器（Holding Registers）:
[*]这些寄存器用于存储可读写的数值数据，通常用于表示过程变量，如温度或压力。
[*]地址范围通常是 0x40001 到 0x4FFFF（Modbus TCP）或 0x0000 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
[*]功能码 03（读取保持寄存器）和 06（写入单个保持寄存器）用于保持寄存器。
[*]输入寄存器（Input Registers）:
[*]这些寄存器用于存储只读数值数据，通常用于表示模拟量输入，如电流或电压。
[*]地址范围通常是 0x30001 到 0x3FFFF（Modbus TCP）或 0x0000 到 0xFFFF（Modbus RTU/ASCII）。
[*]功能码 04（读取输入寄存器）用于输入寄存器。
功能码
功能码（十六进制）名称操作类型访问权限PLC 地址范围数据类型0x01读取线圈状态（Read Coils）位操作读00001-09999（0x地址）二进制位（ON/OFF）0x02读取离散输入状态（Read Discrete Inputs）位操作读10001-19999（1x地址）二进制位（ON/OFF）0x03读取保持寄存器（Read Holding Registers）字操作读40001-49999（4x地址）16位整数/浮点数0x04读取输入寄存器（Read Input Registers）字操作读30001-39999（3x地址）16位整数/浮点数0x05写单个线圈（Write Single Coil）位操作写00001-09999（0x地址）二进制位（ON/OFF）0x06写单个保持寄存器（Write Single Register）字操作写40001-49999（4x地址）16位整数/浮点数0x0F写多个线圈（Write Multiple Coils）位操作写00001-09999（0x地址）二进制位（ON/OFF）0x10写多个保持寄存器（Write Multiple Registers）字操作写40001-49999（4x地址）16位整数/浮点数0x07读取异常状态（Read Exception Status）位操作读由设备定义（内部线圈）二进制位（ON/OFF）0x08回送诊断校验（Diagnostics）诊断操作读/写无特定地址诊断数据Modbus功能码占用一个字节，取值范围是1127(即0x010x7F)。同时，使用功能码+0x80表示异常状态，即129~255代表异常码。
在Modbus标准协议中，一共规定了三类Modbus功能码。
[*]公共功能码
。被明确定义的功能码；
。保证唯一性；
。由Modbus协会确认，并提供公开的文档：
。可进行一致性测试：
。包括协议定义的功能码和保留将来使用的功能码。
[*]用户自定义功能码
。有两个用户自定义功能码区域，分别是6572和100110;
。用户自定义，不保证唯一性。
[*]保留功能码
。保留功能码是因为历史遗留原因，某些公司的传统产品上现行使用的功能码不作为公共使用。
实际最常用的是公共功能码中的4个功能码：03/04/06/10
实例
主站发送
主站向从站发送的实际请求数据帧：03 04 00 08 00 01 B0 3B （假设从站地址为03）
其中：
03：为主站要访问的域名（即从站地址，范围0~247）。
04：表示功能码。
00 08：表示从从站寄存器08这个地址开始读取数据。
00 01：表示从站寄存器, 读取数据的长度。(这里即读取一个字节)
b0 3b：两个字节的校验数据。(Modbus CRC)
从站响应
从站接收到主站的请求数据帧之后实际的响应数据帧为：03 04 02 00 0A 40 F7
其中：
03：为从站地址即域名（即从站地址，范围0~247）。(主站发送什么就响应什么)
04：表示功能码。(主站发送什么就响应什么)
02：被读取数据长度（所以最多 255 - 4字节? 253字节）
00 0A：被读取的具体数据
40 F7：两个字节的校验数据
协议限制
[*]Modbus协议报文（两个帧的）间隔需要大于3.5个字符计算：
1.1、有检验位
1个字符=1（起始位）+8（数据位）+1（奇偶校验位）+1（停竖位）=11位3.5个字符=3.511=38.5位
如果波特率=9600bps,则3.5个字符间隔时间为 38.5/9.6=4.0104167ms ： 字节间间隔时间=1.5字符间隔时间 ≈2.6042ms
1.2 无校验位
1个字符=1（起始位）+8（数据位）+0（无校验位）+1（停止位）=10位
3.5个字符=3.5*10=35位
如果波特率=9600bps,则3.5个字符间隔时间为35/9.6=3.6458毫秒
[*]通常可以将传输 45位的时间四舍五入后做为报文时间间隔。
如果波特率=9600bps,则45位传输时间为45/9.6=4.6875≈5毫秒
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