上位机实战应用之Modbus通信是什么

**前言

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我

算了一下，今年是我跟Modbus相识的第10年，从最开始的简单应用到协议了解，从协议开发到协议应用，这个陪伴了10年的协议，它一直没变，变的只是我对它的理解和认识。

我一直认为Modbus协议的存在有它的历史意义，也就是说即使没有Modbus，也可能会出一个ABUS、DBUS之类的协议，因为控制器与控制器之间通信，一个标准协议，会大大提供开发效率。

因此，现在国产的各种品牌PLC，比如台达、汇川、信捷等，这些PLC都是支持Modbus协议，也就是说，学会了Modbus协议，我们可以很轻松与这些PLC实现数据通信。

文章有点长，感谢大家耐心阅读，文末有福利！

Modbus协议能够成为工业领域应用最广泛的协议，它必须具备以下几个特点：

1、免费：这个是最大的前提，任何产品都是一样，只有通过免费才能获取到前期最大的使用量。

2、简单：Modbus协议帧格式简单紧凑，用户容易理解，厂商容易集成。

3、接口：Modbus协议只是一种规约，属于应用层的协议，因此不仅可以应用在串口（485/232/422），也可以在以太网、光纤、蓝牙、无线上传输。

**存储区分类

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我一般介绍Modbus协议的时候，喜欢站在Modbus规约制定者的角度，结合一些事物来对比说明，这样对很多人来说，可能会更加容易理解。

假设没有Modbus协议，我们想要制定一个协议，我们首先要明确，协议的目的是为了数据传输，因此，为了更好地存储不同的数据类型，我们会将布尔和非布尔的数据分开存储，因此，就有了线圈和寄存器的概念。

线圈和寄存器，这个经常被很多人诟病，认为不应该这么翻译，感觉不容易理解。从电气角度来看，在电气控制回路中，一般都是靠接触器或中间继电器来实现控制，接触器或中继最终靠的是线圈的得电和失电来控制触点闭合和断开，因此用线圈表示布尔量；而寄存器在计算机中，就是用来存储数据的，因此非布尔的数据放在寄存器里。

这个可以跟PLC的存储区来进行对比，西门子的I/Q/M都是线圈，V/T/C/DB都是寄存器，三菱的X/Y都是线圈，D/W/H都是寄存器，欧姆龙的CIO是线圈，D/W/H是寄存器。

以西门子为例，虽然I和Q都表示线圈，但是他们的分工是不同的，I表示输入，Q表示输出，输入意味着该存储区里的值必须由外部设备接入，是只读的，输出表示输出结果给外部设备，是可读可写的。

因此，Modbus的线圈和寄存器应该也按照只读、读写来进一步细分，因此这就形成了Modbus的存储区，如下表所示：

序号	读写	存储类型	存储区名称
1	只读	线圈	输入线圈
2	读写	线圈	输出线圈
3	只读	寄存器	输入寄存器
4	读写	寄存器	保持寄存器

**存储区代号

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然而，上面表格里的存储区名称是一个全称，开发和使用中使用全称会比较麻烦，因此需要给他们取个别名，就像西门子的I/Q/M一样，这些都是西门子给存储区取的一个代号，所以Modbus也要给这些存储区取一个代号，干脆直接用数字吧，于是，就有了下面的规定：

存储区名称	存储区代号
输入线圈	1区
输出线圈	0区
输入寄存器	3区
保持寄存器	4区

这个其实就跟我们的姓名和小名一样，姓名是正式场合使用，日常场合，我们一般可以使用小名。

**存储区范围

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无论是什么存储区，都会有一个范围的限制，就像西门子的M区可能最大到8192，三菱的X区最大到2048，Modbus的每个存储区也应该规定一个范围，不能无限制使用。

Modbus是这么规定的，每个存储区的最大范围是65536，这个范围是很大的。

我们再以三菱的X区为例，如果最大范围是2048，那么意味着我们只能访问X0-X2047这些地址，我们这里说的X0、X2047，就是我们常说的PLC地址，那么这个地址是怎么组成的呢？它是由存储区编号加上一个地址索引组成，我们把这样的PLC地址，理解为绝对地址，后面的地址索引，理解为相对地址。

所谓绝对地址，就是我们仅仅通过一个地址名称，就能知道是什么存储区的第几个数据，而这个第几个，就是我们说的相对地址，因此绝对地址是唯一的，相对地址，每个存储区都有。

那么对于Modbus来说，我们的绝对地址和相对地址是怎么样的呢？

我们仍然遵从公式：绝对地址=区号+相对地址。

但是也会有一些不一样的地方，以保持型寄存器为例，第一个绝对地址是400001，这个地方不是400000，这个是由Modbus规约决定的，其它存储区也是类似的。

因此，Modbus存储区范围如下图所示：

正如上文所说，65536这个范围是很大的，但在实际使用中，我们一般用不了这么多地址，一般情况下，10000以内就已经足够我们使用了，因此，为了方便起见，我们有一种短的地址模型，如下图所示：

**功能码

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功能码这个概念，我们可以这么去理解，先回到我们的初衷，协议的目的是为了数据传输，也就是为了读取数据和写入数据，我们已经确定好4个存储区，存储不同的数据类型，那么接下来我们就要对这些存储区进行读写，那么可能会产生很多种不同的行为，比如读取输入线圈存储区、读取输出线圈存储区，这就是两种不同的行为，同样的，如果用读取输入线圈存储区、读取输出线圈存储区，会比较麻烦，那么我们干脆给每种形成指定一个代号，那么这种代号就是功能码。

我们再来探讨一下，究竟有多少种不同的行为呢？

读取和写入是2种行为，存储区有4个，但是我们知道输入线圈和输入寄存器是只读的，因此不能进行写入，除去这2种的话，应该会产生6种不同的行为，如下图所示：

行为序号	具体行为
1	读取输入线圈
2	读取输出线圈
3	读取输入寄存器
4	读取保持寄存器
5	写入输出线圈
6	写入保持寄存器

然而，Modbus规约将写入输出线圈和写入保持寄存器这2种行为，又进一步做了细分，包括写入单个和写入多个，因此原来的6种行为就变成了8种行为，同时给每种行为设置一个代号，就形成了下图所示的功能码列表：

功能码	功能说明
0x01	读取输出线圈
0x02	读取输入线圈
0x03	读取保持寄存器
0x04	读取输入寄存器
0x05	写入单个线圈
0x06	写入单个寄存器
0x0F	写入多个线圈
0x10	写入多个寄存器

Modbus规约中的功能码其实不止这8个，还有一些功能码是用于诊断或异常码，但是一般很少使用，这8种功能码是最主要的核心功能码。

**协议分类

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Modbus严格来说，是一个标准化的规约，而不是一个具体协议。我们常说的设备A和设备B之间通过Modbus协议来通信，这句话其实是不严谨的。

Modbus规约上有三种不同的协议报文帧，分别是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp。

一般来说，ModbusRtu和ModbusAscii是运行在串口上的协议，ModbusTcp是运行

在以太网上的协议，但是这并非绝对的，我们也可以将ModbusRtu、ModbusAscii运行在以太网或光纤上使用，同样的，在串口网络里，我们也可以使用ModbusTcp的协议，因为协议只是一种规范，并不限制通信介质。

**报文格式

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前面我们说了Modbus有三种不同的协议，分别是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp，那么这三种协议的报文格式也是不同的，下面分别对这三种协议的报文格式进行说明：

1. ModbusRtu的报文格式如下：

第一部分：从站地址，占1个字节

第二部分：功能码，占1个字节

第三部分：数据部分，占N个字节

第四部分：校验部分，CRC校验，占2个字节

2. ModbusAscii的报文格式如下：

第一部分：开始字符（:）

第二部分：从站地址，占2个字节

第三部分：功能码，占2个字节

第四部分：数据部分，占N个字节

第五部分：校验部分，LRC校验，占2个字节

第六部分：结束字符（CR LF）

3. ModbusTcp的报文格式如下：

第一部分：事务处理标识符，占2个字节

第二部分：协议标识符，占2个字节

第三部分：长度，占2个字节

第四部分：单元标识符，占1个字节

第五部分：功能码，占1个字节

第六部分：数据部分，占N个字节

调试软件

Modbus学习成本很低，因为协议是公开免费的，我们可以直接获取到《Modbus中文协议文档》。

同时，也有很多调试软件可以进行仿真调试，因此我们可以在不购买任何硬件的情况下，就把Modbus协议学好。

Modbus调试软件可以通过本公众号后台回复201直接获取 。

Modbus 学习必须要配合相关的调试软件，可以达到事半功倍的效果，Modbus

学习必备的三大神器分别是 ModbusPoll、ModbusSlave 及 VSPD，ModbusPoll 软件主要用于仿真 Modbus主站或 Modbus 客户端，ModbusSlave 软件主要用于仿真 Modbus 从站或 Modbus 服务器，而 VSPD 全称 Configure Virtual Serial Port Driver，是用来给电脑创建虚拟串口使用的。

即使我们想要结合硬件，支持Modbus协议的设备也有很多，各种品牌PLC、各种品牌的仪表、各种温湿度传感器、流量计等都可以很好地支持Modbus协议。