Modbus通信协议入门指南

Modbus算是嵌入式领域比较经典一种通信协议，不管你是初学者，还是工作多年的工程师，都很有必要了解一下。

1.什么是Modbus?

顾名思义，它是一个Bus，即总线协议。比如串口协议、IIC协议、SPI都是通信协议。你接触到这种协议，相信你所处的行业是工业电子方面或者你的产品用于工业。

好了，现在知道了大概知道了，这是一个总线协议，是一个Mod什么的公司发表的一个通信协议。那为什么要用这个呢? 答案就是他们都在用，你就得学，啊哈哈!

正经的说，它被工业领域所接受的原因是它具备一下三个优点

公开发表并且无版权要求

易于部署和维护

对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制

简单的概括,就是免费+简单+方便修改!

归纳：Modbus就是一种用在工业上的简单协议!

2.Modbus用来干什么?

用两个字概括：通信

是的，所有协议都是用来通信的，协议的制定就是让两个人根据这个协议看懂传来的一组数据。比如我给你一个6666，你要是没有协议，就只知道这是6666，而有了协议，你就知道了这是在问我是不是大佬?当然，也可以表示其他意思，具体什么意思就看你协议怎么制定！

归纳：Modbus用来通信喽，是个人都知道！

3.Modbus的内容是什么?

大致分为以下几种:

Modbus-RTU

Modbus-ASCII

Modbus-TCP

以上三种协议，一个设备只会有一种协议，如果你的设备使用的是Modbus-RTU，只需查看以下对应部分，一般来说大部分的设备都是Modbus-RTU协议的。

4.通讯过程

Modbus是主从方式通信，也就是说，不能同步进行通信，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。(所以说，这也算是一个缺点了)

举例1: 一个总线上有一个主机，多个从机，主机查询其中一个从机，首先你必须得这些从机分配地址(这样才能知道哪个从机，而且每个地址必须唯一)，分配好地址后，主机要查询，然后数据下发(数据内容下面会介绍)，从机得到主机发送的数据,然后对应地址的从机回复，主机得到从机数据，这样就是一个主机到从机的通信过程，是不是很简单呢?

举例2: 就像打电话，你得知道对方的电话(这就是唯一地址)，然后你打电话过去，相当于主机查找从机，然后对方接通电话，给你回复(返回数据)，正常是这样的。

如果这时候，对方正在打电话，你应该听到的是"sorry,you…"这一串英文，说明对方忙，但是Modbus总线不能判断对方是否忙，也没有对应的仲裁机制，好了你又知道了一个缺点了！但是，你可以用软件的办法进行适当的处理数据！

5 Modbus-RTU协议

设备必须要有RTU协议！这是Modbus协议上规定的，且默认模式必须是RTU，ASCII作为选项。（也就是说，一般的设备只有RTU这个协议，ASCII一般很少）所以说，一般学习Modbus协议，只需要了解RTU的协议，ASCII作为学习的了解就足够了。

1、帧结构

帧结构 = 地址 + 功能码+ 数据 + 校验

地址: 占用一个字节，范围0-255，其中有效范围是1-247，其他有特殊用途，比如255是广播地址(广播地址就是应答所有地址，正常的需要两个设备的地址一样才能进行查询和回复)。

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，有不同结构，在下面的实例中有说明。

校验：为了保证数据不错误，增加这个，然后再把前面的数据进行计算看数据是否一致，如果一致，就说明这帧数据是正确的，我再回复；如果不一样，说明你这个数据在传输的时候出了问题，数据不对的，所以就抛弃了。

2、实战

只谈理论大家可能不太明白，下面举一个例子。Modbus-RTU协议一般我们用的最多功能码就是03和06，大部分都是用modbus来查询传感器上的信息用03查询功能码，如果需要修改传感器寄存器的值就用06修改功能码，其他的不需要过多关注，学多了你也记不住，哈哈哈！

2.1 查询功能码0x03

功能描述：现在我是主机，我要查询从机地址为01的数据。我现在用电脑的modbus调试助手来代替主机，stm32来代替从机。

我需要发送以下数据：

主机发送: 01 03 00 00 00 01 84 0A
从机回复: 01 03 02 19 98 B2 7E

那么这一组数据是什么意思呢?

从上面的结构图中，可以看出，主机发送的数据大致是 地址+功能码+数据+校验；

所以解析如下:

发送数据解析

 

01-地址，也就是你传感器的地址
03-功功能码，03代表查询功能，查询传感器的数据
00 00-代表查询的起始寄存器地址.说明从0x0000开始查询。这里需要说明以下，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
00 01-代表查询了一个寄存器.结合前面的00 00,意思就是查询从0开始的1个寄存器值
84 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到84前面为止;

回复数据解析

 

01-地址，也就是你传感器的地址
03-功功能码，03代表查询功能，查询传感器的数据。这里要注意的是注意发给从机的功能码是啥，从机就要回复同样的功能码，如果不一样说明这一帧数据有错误
02-代表后面数据的字节数,因为上面说到,一个寄存器有2个字节,所以后面的字节数肯定是2*查询的寄存器个数;
19 98-寄存器的值是19 98,结合发送的数据看出,01这个寄存器的值为19 98
B2 7E-循环冗余校验

 

 

好了，是不是很简单呢?基本流程就是：

发送：从机的地址+我要干嘛的功能码+我要查的寄存器的地址+我要查的寄存器地址的个数+校验码

回复：从机的地址+主机发我的功能码+要发送给主机数据的字节数+数据+校验码

就是这么简单！

2.2 修改功能码0x06

如果我要修改从机的数据呢?那么这个协议有吗？当然有，那就是0x06

1、修改—0x06功能码

 

 

主机发送: 01 06 00 00 00 01 48 0A
从机回复: 01 06 00 00 00 01 48 0A

 

 

诶，看上去怎么一样的啊?是不是错了?答案是这是正确的；

发送数据解析

 

01-主机要查询的从机地址
06-功能码,06代表修改单个寄存器功能,修改有些不同,有修改一个寄存器和修改多个寄存器;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明从0x0000开始.
00 01-代表修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到48前面为止;

 

 

回复数据解析

 

01-从机返回给主机自己的地址,说明这就是主机查的从机
06-功能码,代表修改单个寄存器功能，主机发啥功能码，从机就必须回什么功能码;
00 00-代表修改的起始寄存器地址.说明是0x0000.
00 01-代表修改的值为00 01.结合前面的00 00,意思就是修改0号寄存器值为00 01;
48 0A-循环冗余校验,是modbus的校验公式,从首个字节开始到48前面为止;

 

 

如果回复的一样，说明这个数据是修改成功的；如果功能码不是06，而是别的，说明从机回复的数据有误，主机可以做相应的处理。

2、修改-0x10功能码

如果我要修改多个寄存器，难道用06发好几次，这样不会太傻了吗？所以Modbus RTU协议包含了修改连续多个寄存器的方法，就是功能码为0x10；这个大家自己去查询，基本和上面的数据格式差不多。

归纳

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，分别回想下其数据域部分：

0x03—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；

0x06—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），从机返回起始地址+数据内容（发现居然一样！）

0x10—主机发送起始地址+寄存器个数+总字节数+数据，从机返回起始地址+寄存器数量

6 Modbus-ACSII协议

一般只需要了解RTU协议，因为前面有说过，必须要有RTU协议的，所以只需要了解了RTU协议，就可以读出设备信息了，至于ACSII协议，做个大概了解即可。

1.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ASCII码1，一个代表ASCII码2，即0x31和0x32，才能代表0x12。所以，ASCII协议的效率比较低。但是ASCII更符合串口打印查看，因为串口发送的数据一般都是文本模式(ASCII)。

比如用RTU方式，也叫16进制方式，要发0x03数据，RTU方式就发送00000011。用ASCII发送0x03，就要发送0的ASCII码0x30和3的ASCII码0x33，对应到2进制也就是发送00110000和00110011。很显然RTU方式只需要发送8位就可以了(加上起始位和停止位就是10位数据)。那么ASCII码方式发送就需要两个8位(每个8位分别加上起始位和停止位就是20位数据)。也就是说ASCII码发送数据量是RTU方式的2倍，所以ASCII码效率更低。

那么ASCII码效率更低，数据发送量大为啥还采用这种方式呢？

因为假如你要发送数据0x03，采用RTU方式(16进制发送)，计算机中端设备接收到0x03后是不可以显示的，就是不能把0x03打印出来。因为可见字符的ASCII码是从32—126，不是这个范围以外的显示屏上都看不到，会出现乱码，如果是串口助手的话就会显示□□□□。如果采用ASCII方式(文本模式发送)，就不会出现不可显示和乱码的情况，因为文本模式发送0x03，就是发送ASCII码0和ASCII码3，也就是0x30和0x33，是可以正常显示在计算机中端的。所以现在知道为什么还要使用ASCII效率比较低的方式发送了吧，只是为了方便调试显示而已。

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；

2.归纳

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ASCII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。

7 备注

最后再补充点：Modbus从设备的回应数据格式是：1、回应的数据包与主机查询的数据包格式一致。从机正常回应时：功能码与主机发送的功能码一致(1-127)如果异常回应时：功能码要在收的主机的功能码的基础上加128。不要问为啥加128，你去问造协议的那一帮人吧！

因为电脑只支持USB，所以我们需要把USB转TTL串口，再转成485接口之后与单片机相连，这是硬件最基本的，但是也需要注意。

最后修改了一下串口调试助手，加了一个CRC校验的功能，就可以获取。

审核编辑：黄飞