深入了解Modbus通信协议：一篇硬件知识全面解析
深入了解Modbus通信协议：一篇硬件知识全面解析
Modbus协议是一种广泛应用于工业自动化领域的串行通信协议，自1979年首次发布以来，凭借其简洁而稳固的特性，迅速成为行业内的标准通信协议。本文将为您详细介绍Modbus协议的历史、架构、功能码、数据传输方式以及其在工业自动化领域的应用。
Modbus 简史
Modbus这一串行通信协议，自1979年由Modicon（现为施耐德电气）首次发布以来，便被广泛应用于可编程逻辑控制器（PLC）领域。其简洁而稳固的特性，使它迅速成为行业内的标准通信协议，成为连接工业电子设备的重要纽带。2004年4月，施耐德电气将Modbus的专利权转让给Modbus组织（https://modbus.org），自此，Modbus协议的开发与更新工作便交由该组织负责。这一里程碑事件，也标志着Modbus成为首个被广泛接纳的现场总线标准。
Modbus协议架构
Modbus协议采用主/从（Master/Slave）架构，也可称作客户端/服务器（Client/Server）架构。它是一种基于请求/应答的通信协议，通过统一的功能码实现数据传输服务。在Modbus系统中，主设备（客户端）会向从设备（服务器）发送特定请求，并等待其响应。
Modbus协议采用主/从架构，其中主设备负责轮询一个或多个从设备。从设备则被动地等待主设备的请求，无法主动发送信息。在实际应用中，主控制器常常是PLC（可编程逻辑控制器）、PC或DCS（分布式控制系统），而从设备通常是RTU（远程终端单元）。RTU作为一种微处理器控制的电子设备，负责将物理世界中的对象与DCS或SCADA系统相连接。
协议详解
在与从设备进行通信时，主设备会发送一条包含以下要素的消息：
设备地址
这是一个数字字段，其取值范围从0到247。当主设备发送地址为0的消息时（即广播消息），所有从设备都能接收到。而地址1至247则是特定从设备的地址。除了广播消息外，每个从设备都会响应MODBUS消息，从而确保主设备能够确认消息已被正确接收。功能代码
功能码用于指定从设备需要执行的操作，例如读取数据、写入数据或报告状态等。以下是部分功能码及其对应功能的示例：
- 01：读线圈状态
- 02：读离散输入值
- 03：读保持寄存器内容
- 04：读输入寄存器值
- 05：写单个线圈状态
- 06：写单个寄存器值
- 07：读异常状态信息
- 08：执行诊断功能
...以及更多，直至255，该范围留给厂商进行自定义。
- 数据部分
主设备通过数据字段与从设备的寄存器进行交互，无论是写入数据还是读取数据，都通过这个字段完成。
Modbus协议被设计为主/从架构，其中一台设备作为主设备，负责轮询一个或多个从设备。在这种模式下，从设备无法主动发送信息，它们只能响应主设备的请求。主设备通过写入和读取从设备的寄存器来进行数据交互。
Modbus寄存器类型及其数据类型和访问方式如下：
- 线圈(Coil)：存储布尔值（Bit），支持读/写操作。
- 离散输入(Discrete Input)：同样存储布尔值，但仅支持读取操作。
- 输入寄存器(Input Register)：存储无符号字（Unsigned Word），仅支持读取操作。
- 保持寄存器(Holding Register)：同样存储无符号字，支持读/写操作。
此外，每种寄存器类型都有其特定的地址范围，例如线圈的地址范围是0x00001至0x09999。
关于Modbus的通信方式，Modbus RTU采用简单的串行协议，通过RS-232或RS-485进行数据传输。而Modbus TCP/IP则遵循OSI网络模型，可在标准以太网上运行。在Modbus TCP/IP通信中，需要知道或定义网络中的IP地址，并使用端口502进行数据交换。
通信网络中，主设备（Master）节点作为核心，负责轮询和协调其他使用Modbus协议的从设备（Slave）节点。每个从设备都拥有独一无二的地址，确保了数据交互的准确性和安全性。
Modbus协议特点
Modbus协议以其标准、开放的特点，赢得了广泛用户的信赖。它免费且无需许可证，为用户提供了一种安全、可靠的数据交换方式。同时，支持Modbus的厂家和产品数量众多，进一步增强了其生态系统的多样性。
此外，Modbus协议的电气接口灵活多变，无论是RS-2RS-485还是其他接口，都能轻松应对。其帧格式简洁明了，使得用户和厂商都能轻松上手。
Modbus协议应用场景
Modbus协议在工业自动化领域发挥着至关重要的作用。它连接着PLC、传感器、执行器等设备，使它们能够协同工作，实现工业过程的自动化控制。同时，在能源管理、环境监测以及智能家居控制等方面，Modbus协议也展现出了其强大的实力。