初识Modbus-RZMPU工业控制教程连载（24）

Modbus诞生于1979年莫迪康（Modicon）公司，后来被施耐德电气公司收购。Modbus提供通用语言用于彼此通信的设备和设备，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus作为目前工业领域应用最广泛的协议，之后为了更好地普及和推动Modbus基于以太网（TCP/IP）的分布式应用，施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA （Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了Modbus-IDA组织，此组织的成立和发展进一步推动了Modbus协议的广泛应用。

Modbus协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为ModbusMaster，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。有了它，不同厂商生产的控制设备就可以连接成工业网络，进行集中监控。Modbus协议定义了一个控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的;而且描述了控制器请求访问其他设备的过程，如何应答来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，并制定了统一的消息域的结构和内容。当在Modbus网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器必须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息决定要产生何种行为。如果需要回应，则控制器将生成反馈信息并通过Modbus协议发送。

Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232、RS485和RS422等），也可以选择以太网口。其通信遵循以下的过程：

①主设备向从设备发送请求。

②从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果。

③如果出现任何差错，从设备将返回一个异常功能码。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

Modbus的工作方式是请求/应答，每次通讯都是主站先发送指令，可以是广播，或是向特定从站的单播；从站响应指令，并按要求应答，或者报告异常。当主站不发送请求时，从站不会自己发出数据，从站和从站之间不能直接通讯。

MODBUS是一种应用层消息传递协议，位于OSI模型的第7层。它提供连接在不同类型总线或网络上的设备之间的客户端/服务器通信。

①Modbus协议标准开放、公开发表且无版税要求。用户可以免费获取并使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。

②Modbus协议支持多种电气接口，如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。

③Modbus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。

④可靠性：Modbus是最古老的工业自动化通信协议。它使用和编程简单，因此学习曲线较低。

⑤遗留基础设施：许多制造商在早期自动化方面投入了大量资金。Modbus对于配置、DLR、节点、子站和其他基础设施非常友好，这些基础设施可能会被新的或更先进的协议所淘汰。

⑥快速部署：Modbus可以轻松、立即集成到SCADA和其他控制系统中。

⑦灵活性：Modbus已适应新兴技术。例如，Modbus TCP可以通过话配器进行转换，以与LAN和远程控制系统集成。它还可以利用基于网络和基于云的平台。

⑧简单性：由于通信简单，因此可以轻松扩展到新技术。例如，Modbus TCP/P由于指令集简单，部署速度很快。它还可以与以太网配合使用，无需添加芯片或板。

Modbus协议允许在各种网终体系结构内进行简单通信，每种设备（包括PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用Modbus协议启动远程操作。在基于串行链路和以太网（TCP/IP）的Modbus上可以进行相互通信。一些网关允许在几种使用MODBUS协议的总线或网络之间进行通讯。

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（Protocol Data Unit，协议数据单元）的元素之一，所谓的PDU其实就是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。特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在ADU（Application Data UInit，应用数据单元）上引入一些附加域，从而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，又在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（见下图）。

①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）指示将要执行的操作。其中功能码占用1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），如图下所示：

②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步执行的操作；对于异常响应，服务器返回一个与原始功能码等同的码，设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1，用于通知主设备（客户端）。如下图所示：