Modbus通信协议详解-超级小白必懂
一、什么是Modbus协议
Modbus协议是一种用于工业控制的网络通讯协议，可以片面的理解为，Modbus协议一种机器与机器之间进行数据、信息传递的一种格式规范。
Modbus协议还遵循主从协议，支持单主机，多从机，最多支持247个从机设备。并且，在同一个通信线路上只会有一个主机，所有的通讯过程全部由主机主动发起，从机接收到主机请求后，会对请求做出响应。从机不会主动进行数据的发送，从机之间也不会有通讯过程。
二、Modbus 通讯方式
Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232、RS485和RS422），也可以选择以太网口。
表现在物理层就是，可使用3线232、2线485、4线422进行主从机之间的连接，或通过光纤、网线、无线网络等进行主从机之间的连接。
通俗一点来说：
主机从机之间想要实现通讯，需要将主机与从机进行连接，然后再进行数据传输。而连接方式有上述几种方式，连接实现之后，主机与从机之间就可以进行数据传输了。而它们传输的数据内容，均按照Modbus协议规定的格式进行转换。这样，就保证了能够让同一个主机与不同功能、不同厂家的设备之间进行准确的通讯。
2.1 查询---回应
（1）查询
查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如 功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。
（2）回应
如果从设备产生正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集 的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描 述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。
三、Modbus通信协议的特点
- 标准、开放、免费
- 支持多种电器接口，如串行接口RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传递，如：光纤、无线等
- Modbus的帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户使用简单，厂商开发简单
四、Modbus的4种寄存器类型
- 线圈(Coils)
- 想象一下：家中的电灯开关。
- 解释：线圈就像是电路中的一个开关，它只有两种状态：开（1）或关（0）。在工业控制系统中，线圈通常用来表示某个设备是否应该开启或关闭，比如启动一个电机或打开一个阀门。
- 离散量输入(Discrete Input)
- 想象一下：家中的门铃按钮。
- 解释：离散量输入就像是传感器或按钮的读数，它告诉你某个条件是否为真。例如，它可能表示一个限位开关是否被触发，或者一个安全门是否关闭。这些输入是只读的，因为它们只是反映外部设备的状态。
- 输入寄存器(Input registers)
- 想象一下：家中的温度计。
- 解释：输入寄存器用于存储从传感器读取的数值数据，比如温度、湿度或压力等。这些寄存器也是只读的，因为它们提供的是实时监测到的数据。
- 保持寄存器(Holding registers)
- 想象一下：家中的恒温器。
- 解释：保持寄存器可以存储和修改数据，它们通常用于配置参数或控制设置。例如，你可以设置一个保持寄存器来定义一个电机应该运行的速率，或者一个过程应该维持的温度。这些寄存器是可读可写的，允许你读取它们的当前值或者改变它们的值。
总结：线圈和离散量输入通常用于表示二进制状态（开/关），而输入寄存器和保持寄存器用于存储数值数据，其中输入寄存器是只读的，而保持寄存器可以读写。
五、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。与Modbus TCP/IP不同，Modbus UDP/IP采用无连接的通讯方式，不保证数据的可靠性和顺序。相比于Modbus TCP/IP，Modbus UDP/IP的通讯开销较小，可以减少网络负载。
六、Modbus数据帧格式
无论哪一种Modbus协议版本的帧格式都是一样的
地址域：主机要访问的从机的地址
功能码：主机对从机实现的操作，功能码有很多，不同的功能码也对应操作不同类型的寄存器。比如：0x01读线圈、0x03读保持寄存器、0x06写单个寄存器、0x10写多个寄存器等。（更多功能码见下方Modbus功能码列表）
数据：根据功能的不同，以及传输的数据为请求数据还是响应数据的不同，会有不同的内容。（详见七、报文结构解析）
差错校验：为保障传输数据的准确性，modbus会进行差错校验，如Modbus CRC16校验等。
常用功能码：
七、报文结构解析（Modbus RTU版本）
此处以使用Modbus RTU版本、使用Modbus CRC16校验的保持寄存器（Holding registers）做演示。
1、0x01 读线圈状态
| 设备地址 | 功能码 | 寄存器地址高 | 寄存器地址低 | 数据高 | 数据低 | 校验高 | 校验低 |
| 1B | 1B | 1B | 1B | 1B | 1B | 1B | 1B |
设备地址（1字节） 功能码（1字节） 寄存器起始地址（2字节）线圈数量（2字节） CRC校验码（2字节）
| 设备地址 | 功能码 | 字节数 | 数据 | 校验高 | 校验低 |
| 1B | 1B | 1B | 若干 | 1B | 1B |
示例指令：
请求：01 01 00 00 00 0A BC 0D
含义:从机设备地址（01）+ 功能码（01）+ 起始寄存器完整地址（00 00）+ 线圈数量（00 0A）+ CRC16校验码（BC 0D）
解释：从地址为1的从机读取寄存器开始地址为1，连续读10个线圈。
应答：01 01 02 FF 03 B8 0D
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（01）+ 数据字节数（02） + 读取到的数据内容（FF 03）+ CRC16校验码（B8 0D）
解释：从地址为1的从机中读取到两个字节的数据，读出的内容是FF 03。
2、0x05 写单个线圈
请求：01 05 00 00 FF 00 8C 3A
含义： 从机设备地址（01） + 功能码（05）+ 线圈起始地址（00 00）+ 写入状态（FF 00）+ CRC16校验码（8C 3A）
解释：从地址为1的从机中写入状态1到线圈地址为0中。
注意: 在写入状态中(FF 00 )代表写入1 ，(00 00) 代表写入0.
应答：01 05 00 00 FF 00 8C 3A
含义：从机设备地址（01） + 功能码（05）+ 线圈起始地址（00 00）+ 写入状态（FF 00）+ CRC16校验码（8C 3A）
解释：成功写入状态1到从机设备地址为1中
3、0x0F 写多个线圈
请求：01 0F 00 00 00 08 01 FF BE D5
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（0F）+ 线圈起始地址（00 00 ）+ 线圈个数（00 08）+ 所占字节数（01）+ 线圈状态（FF）+ CRC16校验码（BE D5）
解释： 从地址为1的从机中的线圈起始地址（0000）中写入8个状态，状态是(FF）。
响应：01 0F 00 00 00 08 54 0D
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（0F）+ 线圈起始地址（00 00 ）+ 线圈个数（00 08）+ CRC16校验码（BE D5）
解释：从地址为1的从机的线圈地址中成功写入线圈个数8个。
4、0x02 读离线输入
请求：01 02 00 00 00 05 B8 09
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（02）+ 起始地址（00 00 ）+ 读取数量（00 05）+ CRC16校验码（B8 09）
解释：从设备地址为1的起始地址为0读取5个Bit
应答：01 02 01 02 20 49
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（02）+ 所占字节（01）+ 读取的数据（02）+ CRC16校验码（20 49 ）
解释：从从机设备地址为1中读取了1个字节的数据，数据是02。
5、0x04 读输入寄存器
请求：01 04 00 00 00 02 71 CB
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（04）+ 起始地址（00 00 ）+ 读取数量（00 02）+ CRC16校验码（71 CB）
解释：从设备地址为1的起始地址为0中读取两个输入寄存器的值。
应答：01 04 04 00 01 00 01 6B 84
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（04）+ 所占字节（04）+ 读出来的两个寄存器的值（00 01 00 01）+ CRC16校验码（6B 84）
解释：从设备地址为1中成功读取4个字节，第一个寄存器的值是(00 01)，第二个寄存器的值是(00 01)。
6、0x03 读保持寄存器
请求：01 03 00 00 00 03 05 CB
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（03）+ 起始地址（00 00 ）+ 读取数量（00 03）+ CRC16校验码（05 CB ）
解释： 从从机设备地址为1，起始地址为0中读取3个寄存器。
应答：01 03 06 00 1E 22 22 33 33 77 E0
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（03）+ 所占字节数（06） + 读取的数据（ 00 1E 22 22 33 33）+ CRC16校验码（77 E0 ）
解释：成功读取到的数据是（ 00 1E 22 22 33 33）
7、0x06 写单个保持寄存器
请求：01 06 00 00 00 1E 09 C2
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（06）+ 保持寄存器地址（00 00 ）+ 写入数据（00 1E） + CRC16校验码（09 C2）
解释：向从机设备地址为1的保持寄存器地址为0中写入值00 1E。
应答：01 06 00 00 00 1E 09 C2
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（06）+ 保持寄存器地址（00 00 ）+ 写入数据（00 1E） + CRC16校验码（09 C2）
解释：成功向从机设备地址为1，保持寄存器地址为0中写入值00 1E。如果06功能写入成功的话，请求码和响应码会是一样的。
8、0x10 写多个保持寄存器
请求：01 10 00 00 00 03 06 11 11 22 22 33 33 E7 55
含义：从机设备地址（01）+ 功能码（10）+ 保持寄存器起始地址（00 00 ）+ 写入寄存器数量（00 03）+ 写入的字节数（06）+ 写入的数据（11 11 22 22 33 33）+ CRC16校验码（E7 55）
解释：在地址为1的从机中，向起始地址为0000的连续3个寄存器，分别写入11 11、22 22、33 33，字节数6个。
9、0x17读/写多个寄存器（写完再读出来）
请求：01 17 00 00 00 02 00 00 00 02 04 12 34 56 78 BC 74
含义：设备地址（01）+ 功能码（17）+ 读寄存器起始地址（00 00）+ 读寄存器个数（00 02）+ 写寄存器起始地址（00 00 ）+ 写寄存器个数（00 02）+ 所占字节数（04）+ 写寄存器值（12 34 56 78）+ CRC16校验码（BC 74）
解释：在地址为1的从机中，向起始地址为00 00 的连续两个2寄存器中分别写入 12 34 、56 78，然后再读出来。
应答：01 17 04 12 34 56 78 82 13
含义：设备地址（01）+ 功能码（17）+ 所占字节（04）+ 读出来的数据（12 34 56 78）+ CRC16校验码
解释：成功在地址为1的从机中读出来4个字节的数据，读出来的数据是1234、5678。
八、CRC16校验
CRC计算方法：
1.预置1个16位的寄存器为十六进制FFFF(即全为1);称此寄存器为CRC寄存器;
2.把第一个8位二进制数据(既通讯信息帧的第一个字节)与16位的CRC寄存器的低8位相异或，把结果放于CRC寄存器;
3.把CRC寄存器的内容右移一位(朝低位)用0填补最高位，并检查右移后的移出位;
4.如果移出位为0:重复第3步(再次右移一位);如果移出位为1:CRC寄存器与多项式A001(1010 0000 0000 0001)进行异或;
5.重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理;
6.重复步骤2到步骤5，进行通讯信息帧下一个字节的处理;
7.将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的16位CRC寄存器的高、低字节进行交换;
校验参考代码：
//CRC校验
void CRC_Checkout_16(uint8_t *p_data,uint32_t data_len,uint8_t *data_crc) {uint16_t wcrc = 0xFFFF;uint8_t temp;uint32_t i=0,j=0;for(i=0;i<data_len;i++){temp = *p_data & 0X00FF;p_data++;wcrc = wcrc^temp;for(j=0;j<8;j++){if(wcrc & 0X0001){wcrc>>=1;wcrc^=0XA001;}else{wcrc>>=1;}}}temp=wcrc;data_crc[0]=wcrc;data_crc[1]=wcrc>>8;return ;}