上位機實戰(zhàn)應用之Modbus通信是什么

**前言

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我

算了一下，今年是我跟Modbus相識的第10年，從最開始的簡單應用到協(xié)議了解，從協(xié)議開發(fā)到協(xié)議應用，這個陪伴了10年的協(xié)議，它一直沒變，變的只是我對它的理解和認識。

我一直認為Modbus協(xié)議的存在有它的歷史意義，也就是說即使沒有Modbus，也可能會出一個ABUS、DBUS之類的協(xié)議，因為控制器與控制器之間通信，一個標準協(xié)議，會大大提供開發(fā)效率。

因此，現(xiàn)在國產(chǎn)的各種品牌PLC，比如臺達、匯川、信捷等，這些PLC都是支持Modbus協(xié)議，也就是說，學會了Modbus協(xié)議，我們可以很輕松與這些PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

文章有點長，感謝大家耐心閱讀，文末有福利！

Modbus協(xié)議能夠成為工業(yè)領(lǐng)域應用最廣泛的協(xié)議，它必須具備以下幾個特點：

1、免費：這個是最大的前提，任何產(chǎn)品都是一樣，只有通過免費才能獲取到前期最大的使用量。

2、簡單：Modbus協(xié)議幀格式簡單緊湊，用戶容易理解，廠商容易集成。

3、接口：Modbus協(xié)議只是一種規(guī)約，屬于應用層的協(xié)議，因此不僅可以應用在串口（485/232/422），也可以在以太網(wǎng)、光纖、藍牙、無線上傳輸。

**存儲區(qū)分類

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我一般介紹Modbus協(xié)議的時候，喜歡站在Modbus規(guī)約制定者的角度，結(jié)合一些事物來對比說明，這樣對很多人來說，可能會更加容易理解。

假設(shè)沒有Modbus協(xié)議，我們想要制定一個協(xié)議，我們首先要明確，協(xié)議的目的是為了數(shù)據(jù)傳輸，因此，為了更好地存儲不同的數(shù)據(jù)類型，我們會將布爾和非布爾的數(shù)據(jù)分開存儲，因此，就有了線圈和寄存器的概念。

線圈和寄存器，這個經(jīng)常被很多人詬病，認為不應該這么翻譯，感覺不容易理解。從電氣角度來看，在電氣控制回路中，一般都是靠接觸器或中間繼電器來實現(xiàn)控制，接觸器或中繼最終靠的是線圈的得電和失電來控制觸點閉合和斷開，因此用線圈表示布爾量；而寄存器在計算機中，就是用來存儲數(shù)據(jù)的，因此非布爾的數(shù)據(jù)放在寄存器里。

這個可以跟PLC的存儲區(qū)來進行對比，西門子的I/Q/M都是線圈，V/T/C/DB都是寄存器，三菱的X/Y都是線圈，D/W/H都是寄存器，歐姆龍的CIO是線圈，D/W/H是寄存器。

以西門子為例，雖然I和Q都表示線圈，但是他們的分工是不同的，I表示輸入，Q表示輸出，輸入意味著該存儲區(qū)里的值必須由外部設(shè)備接入，是只讀的，輸出表示輸出結(jié)果給外部設(shè)備，是可讀可寫的。

因此，Modbus的線圈和寄存器應該也按照只讀、讀寫來進一步細分，因此這就形成了Modbus的存儲區(qū)，如下表所示：

**存儲區(qū)代號

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然而，上面表格里的存儲區(qū)名稱是一個全稱，開發(fā)和使用中使用全稱會比較麻煩，因此需要給他們?nèi)€別名，就像西門子的I/Q/M一樣，這些都是西門子給存儲區(qū)取的一個代號，所以Modbus也要給這些存儲區(qū)取一個代號，干脆直接用數(shù)字吧，于是，就有了下面的規(guī)定：

這個其實就跟我們的姓名和小名一樣，姓名是正式場合使用，日常場合，我們一般可以使用小名。

**存儲區(qū)范圍

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無論是什么存儲區(qū)，都會有一個范圍的限制，就像西門子的M區(qū)可能最大到8192，三菱的X區(qū)最大到2048，Modbus的每個存儲區(qū)也應該規(guī)定一個范圍，不能無限制使用。

Modbus是這么規(guī)定的，每個存儲區(qū)的最大范圍是65536，這個范圍是很大的。

我們再以三菱的X區(qū)為例，如果最大范圍是2048，那么意味著我們只能訪問X0-X2047這些地址，我們這里說的X0、X2047，就是我們常說的PLC地址，那么這個地址是怎么組成的呢？它是由存儲區(qū)編號加上一個地址索引組成，我們把這樣的PLC地址，理解為絕對地址，后面的地址索引，理解為相對地址。

所謂絕對地址，就是我們僅僅通過一個地址名稱，就能知道是什么存儲區(qū)的第幾個數(shù)據(jù)，而這個第幾個，就是我們說的相對地址，因此絕對地址是唯一的，相對地址，每個存儲區(qū)都有。

那么對于Modbus來說，我們的絕對地址和相對地址是怎么樣的呢？

我們?nèi)匀蛔駨墓剑航^對地址=區(qū)號+相對地址。

但是也會有一些不一樣的地方，以保持型寄存器為例，第一個絕對地址是400001，這個地方不是400000，這個是由Modbus規(guī)約決定的，其它存儲區(qū)也是類似的。

因此，Modbus存儲區(qū)范圍如下圖所示：

正如上文所說，65536這個范圍是很大的，但在實際使用中，我們一般用不了這么多地址，一般情況下，10000以內(nèi)就已經(jīng)足夠我們使用了，因此，為了方便起見，我們有一種短的地址模型，如下圖所示：

**功能碼

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功能碼這個概念，我們可以這么去理解，先回到我們的初衷，協(xié)議的目的是為了數(shù)據(jù)傳輸，也就是為了讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)確定好4個存儲區(qū)，存儲不同的數(shù)據(jù)類型，那么接下來我們就要對這些存儲區(qū)進行讀寫，那么可能會產(chǎn)生很多種不同的行為，比如讀取輸入線圈存儲區(qū)、讀取輸出線圈存儲區(qū)，這就是兩種不同的行為，同樣的，如果用讀取輸入線圈存儲區(qū)、讀取輸出線圈存儲區(qū)，會比較麻煩，那么我們干脆給每種形成指定一個代號，那么這種代號就是功能碼。

我們再來探討一下，究竟有多少種不同的行為呢？

讀取和寫入是2種行為，存儲區(qū)有4個，但是我們知道輸入線圈和輸入寄存器是只讀的，因此不能進行寫入，除去這2種的話，應該會產(chǎn)生6種不同的行為，如下圖所示：

然而，Modbus規(guī)約將寫入輸出線圈和寫入保持寄存器這2種行為，又進一步做了細分，包括寫入單個和寫入多個，因此原來的6種行為就變成了8種行為，同時給每種行為設(shè)置一個代號，就形成了下圖所示的功能碼列表：

Modbus規(guī)約中的功能碼其實不止這8個，還有一些功能碼是用于診斷或異常碼，但是一般很少使用，這8種功能碼是最主要的核心功能碼。

**協(xié)議分類

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Modbus嚴格來說，是一個標準化的規(guī)約，而不是一個具體協(xié)議。我們常說的設(shè)備A和設(shè)備B之間通過Modbus協(xié)議來通信，這句話其實是不嚴謹?shù)摹?/p>

Modbus規(guī)約上有三種不同的協(xié)議報文幀，分別是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp。

一般來說，ModbusRtu和ModbusAscii是運行在串口上的協(xié)議，ModbusTcp是運行

在以太網(wǎng)上的協(xié)議，但是這并非絕對的，我們也可以將ModbusRtu、ModbusAscii運行在以太網(wǎng)或光纖上使用，同樣的，在串口網(wǎng)絡(luò)里，我們也可以使用ModbusTcp的協(xié)議，因為協(xié)議只是一種規(guī)范，并不限制通信介質(zhì)。

**報文格式

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前面我們說了Modbus有三種不同的協(xié)議，分別是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp，那么這三種協(xié)議的報文格式也是不同的，下面分別對這三種協(xié)議的報文格式進行說明：

1. ModbusRtu的報文格式如下：

第一部分：從站地址，占1個字節(jié)

第二部分：功能碼，占1個字節(jié)

第三部分：數(shù)據(jù)部分，占N個字節(jié)

第四部分：校驗部分，CRC校驗，占2個字節(jié)

2. ModbusAscii的報文格式如下：

第一部分：開始字符（:）

第二部分：從站地址，占2個字節(jié)

第三部分：功能碼，占2個字節(jié)

第四部分：數(shù)據(jù)部分，占N個字節(jié)

第五部分：校驗部分，LRC校驗，占2個字節(jié)

第六部分：結(jié)束字符（CR LF）

3. ModbusTcp的報文格式如下：

第一部分：事務(wù)處理標識符，占2個字節(jié)

第二部分：協(xié)議標識符，占2個字節(jié)

第三部分：長度，占2個字節(jié)

第四部分：單元標識符，占1個字節(jié)

第五部分：功能碼，占1個字節(jié)

第六部分：數(shù)據(jù)部分，占N個字節(jié)

調(diào)試軟件

Modbus學習成本很低，因為協(xié)議是公開免費的，我們可以直接獲取到《Modbus中文協(xié)議文檔》。

同時，也有很多調(diào)試軟件可以進行仿真調(diào)試，因此我們可以在不購買任何硬件的情況下，就把Modbus協(xié)議學好。

Modbus調(diào)試軟件可以通過本公眾號后臺回復201直接獲取 。

Modbus 學習必須要配合相關(guān)的調(diào)試軟件，可以達到事半功倍的效果，Modbus

學習必備的三大神器分別是 ModbusPoll、ModbusSlave 及 VSPD，ModbusPoll 軟件主要用于仿真 Modbus主站或 Modbus 客戶端，ModbusSlave 軟件主要用于仿真 Modbus 從站或 Modbus 服務(wù)器，而 VSPD 全稱 Configure Virtual Serial Port Driver，是用來給電腦創(chuàng)建虛擬串口使用的。

即使我們想要結(jié)合硬件，支持Modbus協(xié)議的設(shè)備也有很多，各種品牌PLC、各種品牌的儀表、各種溫濕度傳感器、流量計等都可以很好地支持Modbus協(xié)議。