第一章：Modbus背景知识

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第一章：Modbus背景介绍 #

Modbus 是一种用于工业自动化控制系统的通信协议，由 Modicon（现为施耐德电气的一部分）在 1979 年开发。它是一种主从架构的协议，广泛应用于连接电子设备以实现数据交换。以下是 Modbus 协议的背景和主要特点：

  • 起源与发展：Modbus 最初由 Modicon 为其可编程逻辑控制器 (PLC) 开发，目的是实现不同设备之间的互操作性。随着时间的推移，Modbus 成为工业领域中最广泛使用的通信协议之一。
  • 开放标准：Modbus 是一个开放的协议，任何人都可以免费使用和实现。这使得它在工业自动化领域中得到了广泛的接受和应用。
  • 多种变体：随着技术的发展，Modbus 也演变出了多个版本和变体，适应不同的通信需求和物理介质。

主要特点 #

  • 主从架构：Modbus 采用主从（Master/Slave）架构。一个主设备可以与多个从设备通信，从设备之间不直接通信。主设备发出命令，从设备响应。
  • 简单易用：Modbus 协议相对简单，易于实现和理解，适用于资源有限的嵌入式系统。
  • 多种传输方式：
    • Modbus RTU：基于串行通信的 Modbus 变体，通常使用 RS-232 或 RS-485 作为物理层。数据以二进制形式传输，具有较高的效率和较低的通信开销。
    • Modbus ASCII：另一种基于串行通信的变体，数据以 ASCII 字符形式传输，便于调试，但效率较低。
    • Modbus TCP/IP：基于以太网的 Modbus 变体，通过 TCP/IP 协议进行传输，适用于现代网络环境。
  • 数据模型：Modbus 定义了一种简单的数据模型，包含四种数据类型：
    • 离散输入：单个位，只读。
    • 线圈：单个位，读/写。
    • 输入寄存器：16 位寄存器，只读。
    • 保持寄存器：16 位寄存器，读/写。

应用领域 #

  • 工业自动化：如 PLC、SCADA 系统、传感器和执行器之间的通信。
  • 能源管理：如电表和能源管理系统的通信。
  • 楼宇自动化：如暖通空调 (HVAC) 系统、照明和安防系统的控制。

Modbus 因其开放性、简洁性和灵活性，成为工业控制和自动化领域中一种标准的通信协议。随着物联网 (IoT) 的发展，Modbus 也被广泛应用于各类智能设备和系统的互联。

Modbus协议版本 #

Modbus可用于串行链路或者TCP/IP以太网。

对于Modbus串行链路连接，存在两个变种，它们在协议细节上略有不同，主要区别是传输数据的字节表示上的不同。这两个变种包括RTU模式和ASCII模式。ModbusRTU模式是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式；而ModbusASCII模式是一种人类可读的、冗长的表示方式。这两个变种都使用串行链路通信(Serial Communication)方式，为了确保数据传输的完整性和准确性，RTU模式 下消息格式命令和数据带有循环冗余校验的校验和，而ASCII模式下消息格式采用纵向冗余校验的校验和，而且被配置为RTU模式的节点不能与配置为ASCII模式的节点通信，反之亦然。

对于通过TCP/IP（例如以太网）物理层的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和的计算。

Modbus通信流程概述 #

Modbus是一个请求/应答协议，并且提供统一的功能码用于数据传输服务。Modbus功能码是 Modbus 请求/应答 PDU(即 PROTOCOL DATA UNIT,协议 数据单元）的元素之一，所谓的PDU是Modbus协议定义的一个与基础通信层无关的简单协议数据单元。而在特定总线或网络上，Modbus协议则通过ADU（即APPLICATION DATA UNIT，应用数据单元）引入一些附加域，以实现完整而准确的数据传输。

为了寻求一种简洁的通信格式，Modbus 协议定义了PDU模型，即功能码+数据的格式；而为了适应多种传输模式，在PDU的基础上增加了必要的前缀（如地址域）和后缀（如差错校验），形成了ADU模型。

ADU与PDU之间的关系如下图所示。

主机设备（或客户端）创建Modbus应用数据单元形成查询报文，其中功能码标识了向从机设备（或服务器端）指示将执行哪种操作。功能码占用一个字节，有效的码字范围是十进制1～255（其中128～255为异常响应保留）。查询报文创建完毕，主机设备（或客户端）向从机设备（或服务器端）发送报文，从机设备（或服务器端）接收报文后，根据功能码做出相应的动作，并将响应报文返回给主机设备（或客户端），如下图所示。

如果在一个正确接收的Modbus ADU中，不出现与请求 Modbus功能有关的 差错，那么从机设备（或服务器端）将返回正常的响应报文。如果出现与请求Modbus功能有关的差错，那么响应报文的功能码域将包括一个异常码，主机设备（或客户端）能够根据异常码确定下一个执行的操作。

如下图所示，对于异常响应，从机设备（或服务器端）将返回一个与原始功能码等同的码值，但设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1，用于通知主机设备(或客户端)。

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