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一、什么是Modbus协议
Modbus协议是工业控制器网络协议的一种，此协议定义了一个控制器能够认识的消息结构，描述了一个控制器请求访问其他设备、回应来自其他设备以及侦测错误并记录的过程。
Modbus是一种应用层的报文传输协议，它既可以在物理层面上选择串口进行简单的串行通信，也可以使用TCP的方式进行传输。
Modbus的优点
最简单的说，Modbus就是一个总线通信协议，但是他不依赖于硬件总线
- Modbus协议标准开放、公开发表且无版权要求（免费）
- Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等（支持性能好）
- Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络（帧格式简单）
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二、Modbus通信过程
注意Modbus是一主多从的通信协议
Modbus通信中只有一个设备可以发送请求。其他从设备接收主机发送的数据来进行响应，从机是任何外围设备，如I/O传感器，阀门，网络驱动器，或其他测量类型的设备。从站处理信息和使用Modbus将其数据发送给主站。
也就是说,不能Modbus同步进行通信,主机在同一时间内只能向一个从机发送请求，总线上每次只有一个数据进行传输,即主机发送,从机应答,主机不发送,总线上就没有数据通信。
从机不会自己发送消息给主站，只能回复从主机发送的消息请求。
三、Modbus存储区
从机存储数据必然会存在一个存储区，那就需要文件操作，可以分为只读(-r)和读写(-wr)两种类型
并且存储的数据类型可以分为 ：布尔量 和 16位寄存器
- 布尔量比如IO口的电平高低，灯的开关状态等。
- 16位寄存器比如 传感器的温度数据，存储的密码等。
Modbus协议规定了4个存储区 分别是0 1 3 4区 其中0区和4区是可读可写，1区和3区是只读。
可通过地址首位数字判断数据所属存储区。
主机向从机获取数据时，只需要告诉从机数据的起始地址、获取多少字节的数据，从机就可以发送数据给主机。
四、Modbus协议类型
Modbus的传输模式也分为三种。包括ASCII、RTU(远程终端控制系统)、TCP三种报文类型
4.1 Modbus RTU协议
4.1.1 Modbus报文帧结构
Modbus报文是指主机发送给从机的一帧数据，其中包含着从机地址，主机想要执行的操作，校验码等内容。
Modbus协议在串行链路上的报文格式如下所示：
帧结构 = 从机地址 + 功能吗 + 数据 + 校验
| 从站地址 | 功能码 | 数据 | CRC/LRC |
|---|---|---|---|
| 1 byte | 1 byte | N bytes | 2 bytes |
-
从机地址: 每个从机都有唯一地址，占用一个字节,范围0-255,其中有效范围是1-247,其中255是广播地址(广播就是对所有从机发送应答)
-
功能码: 占用一个字节,功能码的意义就是,知道这个指令是干啥的,比如你可以查询从机的数据,也可以修改从机的数据,所以不同功能码对应不同功能.
-
数据: 根据功能码不同,有不同功能，比方说功能码是查询从机的数据，这里就是查询数据的地址和查询字节数等。
-
校验: 在数据传输过程中可能数据会发生错误，CRC检验检测接收的数据是否正确
| 功能码 | 功能说明 |
|---|---|
| 01 | 读取线圈状态 |
| 02 | 读取输入状态 |
| 03 | 读取保持寄存器 |
| 04 | 读取输入寄存器 |
| 05 | 写入单线圈 |
| 06 | 写入单寄存器 |
| 0F | 写入多线圈 |
| 10 | 写入多寄存器 |
4.1.2 主机对从机读数据操作
主机发送报文格式如下：
01 03 00 01 00 01 D5 CA
0x01：从机的地址
0x03：查询功能，读取从机寄存器的数据
0x00 0x01： 代表读取的起始寄存器地址.说明从0x0001开始读取.
0x00 0x01： 查询的寄存器数量为0x0001个Modbus把数据存放在寄存器中,通过查询寄存器来得到不同变量的值,一个寄存器地址对应2字节数据; 寄存器地址对应着从机实际的存储地址，也可以理解为寄存器的长度
0xD5 0xCA： 循环冗余校验 CRC
从机回复报文格式如下：
01 03 02 01 17 F8 4A
01：从机的地址
03：查询功能，读取从机寄存器的数据
02： 返回字节数为2个 一个寄存器2个字节
01 17：寄存器的值是0017
F8 4A： 循环冗余校验 CRC
4.1.3 主机对从机写数据操作
主机发送报文格式如下：
| 从站地址 | 功能码 | 起始地址（高） | 起始地址（低） | 数据（高） | 数据（低） | 校验 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x06 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x17 | 0x98 0x04 |
0x01：从机的地址
0x06：修改功能，修改从机寄存器的数据(写入)
0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明修改0x0000-0x0001的存储内容
0x00 0x17： 要修改的数据值为0017
0x98 0x04： 循环冗余校验 CRC
从机回复报文格式如下：
| 从站地址 | 功能码 | 起始地址（高） | 起始地址（低） | 数据（高） | 数据（低） | 校验 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x06 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x17 | 0x98 0x04 |
0x01：从机的地址
0x06：写入单个寄存器
0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000
0x00 0x17：修改的值为0017
0x98 0x04： 循环冗余校验 CRC
从机的回复和主机的发送是一样的，如果不一样说明出现了错误
4.1.4 10功能码数据解析
主机发送: 01 10 00 00 00 01 02 11 22 2A 19
从机回复: 01 10 00 00 00 01 01 C9
*发送数据解析*/
01-主机要查的地址
10-功能码,代表修改多个寄存器功能;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 01-代表修改的寄存器数量，这里开始于0x06的修改不同;
02 -表示修改的总字节数，由于只修改了1个寄存器，所以数据要有两个字节；
11 22-表示修改的值，结合上面，就是从第0000寄存器开始修改一个寄存器值为11 22，就是把0000寄存器改为11 22；
2A 19-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到22前面为止;
/*回复解析*/
01-从机返回的地址,说明这就是主机查的从机
10-功能码
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 01-代表修改的寄存器数量，只需要回复这么多久足够了，从机告诉主机，你修改了哪几个寄存器就足够了;
01 C9-循环冗余校验;
4.1.5 总结
modbus RTU协议只需要看懂功能码0x03,0x06,0x10这三个基本的就已经足够了：
03-主机需要发送起始地址+寄存器数量，从机回复总字节数+数据；
06-主机发送起始地址+数据内容（因为你只需要修改一个，所以起始地址就是所要修改的地址）从机回复起始地址+数据内容
10-主机发送起始地址+寄存器个数+总字节数+数据，从机回复起始地址+寄存器数量
4.2 Modbus ACSII协议
帧形式
对于RTU协议，比如RTU发送一个字节：0x12；
ASCII协议则需要发送2个字节：一个字节代表1，一个代表2，即31和32，才能代表0x12.
所以，acsii协议的效率比较低。
从上面的图中，看出：
1）比RTU多了起始段 :， 多个结束符CR，LF
2）地址和功能都变成了2个字节；
3）数据部分更加繁琐，但是更符合人们的查看；
由于Modbus-RTU和modbus-ACSII都是基于232和485链路的，所以其通讯模式半双工，一般是主机和从机的模式。其差别就是其字节的格式不同，一个是16进制的数据，一个是acsii数据。
Ascii多了帧头和帧尾，也就是说可以有用这个头尾判断一帧字节来判断是否结束；而RTU没有帧头和帧尾，所以协议里明确两帧之间要大于3.5个字节时间间隔，作为一帧结束的判断依据。
对于RS485来说，总线上一般允许最大32个设备。
4.3 Modbus-TCP
以太网作为介质进行传输,
4.4 Modbus-PLUS
高速令牌传递网络