- 1. 4种data type
- 2. 3种传输模式
- 3. 3类function code
- 4. data帧format
- 5. 两种Request模式
- 6. Modbus扩展版本
- 7. 官方标准DocumentDownload
Modbus是什么？
Modbus协议，从字面理解它包括Mod和Bus两部分，首先它是一种bus，即总线协议，和I2C、SPI类似，总线就意味着有主机，有从机，这些设备在同一条总线上。
Modbus支持单主机，多个从机，最多支持247个从机设备。关于Mod，因为这种协议最早被用在PLC控制器中，准确的说是Modicon公司的PLC控制器，这也是Mod-Bus名称的由来。
后来Modicon被施耐德（Schneider）收购，Modbus协议广泛应用在工业控制器、HMI和传感器上，逐渐被其他厂商所接受，成为了一种主流的通讯协议，用于和外围设备进行通讯。
Modbus在7层OSI参考模型中属于第七层应用层，data链路层有两种：基于标准串口协议和TCP协议，物理层可使用3线232、2线485、4线422，或光纤、网线、无线等多种传输介质。
Modbus协议是一种Request/应答方式的交互过程，主机主动发起通讯Request，从机Response主机的Request，从机在没有收到主机的Request时，不会主动senddata，从机之间不会进行通讯。
就像是男生追女生一样，男生要主动出击，女生才会给你Response，不能等着女生主动搭讪你。
目前比较权威的Modbus官方标准Document有两个：
- modbus_application_protocol_specification_v1.1b3.pdf
- 基于Modbus协议的Automation网络规范 GB-T19582.1-2008.pdf
可以说90%的书籍和网络Resources都是翻译自这两篇Document，文末获取标准DocumentDownload方法。
4种data type
Modbus协议规定，进行读写Operation的data type，按照读写属性和Type可分为以下4种：
- 离散量输入（Discretes Input ）：1位，只读
- 线圈（Coils）：1位，读写
- 输入register（Input Registers ）：16位，只读
- 保持register（Holding Registers）：16位，读写
3种传输模式
1979年，Modicon 首先推出了串行Modbus标准，后来由于网络的普及，需要更高的传输速度，1997年制定了基于TCP网络的Modbus标准。
所以总的可分为两个传输模式：基于串行链路的和基于以太网TCP/IP的。但是我个人还是习惯分为3种传输模式：
- 基于串口的Modbus-RTUdata按照标准串口协议进行Coding，是使用最广泛的一种Modbus协议，采用CRC-16_Modbus校验算法。
- 基于串口的Modbus-ASCII所有data都是ASCIIformat，一个byte的raw data需要两个字符来表示，效率低，采用LRC verification算法。
- 基于网口的Modbus-TCPModbus-TCP基于TCP/IP协议，占用502端口，data帧主要包括两部分：MBAP（message头）+PDU（帧结构），data块与串行链路是一致的。
所以当我们提及Modbus协议时，要确定是哪种模式：RTU、ASCII或TCP，3种模式区别还是很大的。
有些设备支持多种Modbus mode，有些设备只支持其中一种，比如最常用的PLC S7-200只支持Modbus RTU协议，不支持Modbus ASCII协议，Modbus总线上所有equipment传输模式必须相同。
实际使用要根据设备使用手册来选择采用哪种模式。
3类function code
Modbusfunction code，是写在主机Requestdata帧中的，决定主机进行读还是写Operation，是读线圈、离散量还是register，是写单个register还是多个register等等，决定主机Request什么Type的data。
主要包括3类function code：公共function code、用户定义function code和保留function code
实际最常用的是公共function code中的4个function code：03/04/06/10
- 0x03：读多个保持register
- 0x04：读输入register
- 0x06：写单个保持register
- 0x10：写多个保持register
因为PLC主要控制的是继电器触点，所以在PLC上还会经常对线圈（Coils）进行读写。
这里需要特别注意的一点是：写保持register，需要区分0x06写单个register和0x10写多个register，而读保持register不区分读单个和读多个，当需要读单个保持register时，也是使用0x03指令，指定Reading quantity为1。
data帧format
无论是3种传输模式中的哪一种，Modbus帧format都是一样的：
主要包括：
- address域：1byte，即从机Device address，通常1-247为effectiveaddress，0为广播address
- function code：1byte，表明主机Requestdata的Type。
- data：Nbyte，包含register address和register data等。
- 差错Verification:对data进行冗余校验的结果，CRC或LRC
下面来详细介绍一下每种传输模式的data帧format。
Modbus-RTUdata帧
Modbus-RTUdata帧，帧Length最大为256byte，由以下4部分构成：
- 子节点address：1byte，范围0-247
- Function代码：1byte
- data块：0-252byte
- CRC check值：2byte，低8位在前
Modbus-RTU帧间隔，Modbus-RTU要求两个RTUmessage帧间隔要大于3.5个bytetime：
且每个message帧内byte间隔小于1.5个bytetime，否则会认为receive不完整。
Modbus-RTU采用循环冗余校验 (CRC – Cyclical Redundancy Checking) 算法对message帧Alldata进行计算，得到的校验值附加在message帧末尾，低位在前。CRC-16_Modbus计算方法可以参考：CRC-16_Modbus校验算法
实际Request/应答交互示例：
示例1：写单个register。向01address设备0x0105保持register写入1个data：0x0190
主机send： 01 06 01 05 01 90 99 CB
从机回复： 01 06 01 05 01 90 99 CB01表示从机address，06function code表示写单个保持register，0105表示register address，0190表示写入register的numerical value，99CB为CRC check值。可以看出，当写1个register data时，从机Response的data帧和主机send的data帧Complete一致。
示例2：写多个register。向01address设备0x0105、0x0106、0x0107address保持register，写入3个register data：0x1102, 0x0304, 0x0566
主机send：01 10 01 05 00 03 06 11 02 03 04 05 66 4a 12
从机回复：01 10 01 05 00 03 91 f5同理，01从机address，10function code表示写多个保持register，0105表示starting address，0003表示写3个register，06表示data量为6个byte，1102/0304/0566分别表示写入3个register的numerical value，4a12表示CRC checknumerical value。
可以看出，写多个register时使用10function code，从机回复data也比较精简。
示例3：读单个register。读01address设备0x0105保持register data。
主机send：01 03 01 05 00 01 95 f7
从机回复：01 03 02 56 78 87 c603表示读多个register，0105表示starting address，0001表示读1个register
02表示2个byte，56 78表示register的data。
示例4：读多个register。读01address设备0x0105、0x0106、0x0107address保持register，共3个register data。
主机send：01 03 01 05 00 03 14 36
从机回复：01 03 06 11 22 33 44 55 66 2a 1803表示读多个register，0105表示starting address，0003表示读3个register
06表示6个byte，11 22 33 44 55 66表示register的data。
Modbus-ASCIIdata帧
Modbus-ASCII传输模式中，每个byte均以ASCIICoding，实际message中1个byte会以两个ASCII字符send，因此这种模式比Modbus-RTU模式效率要低。
例如messagedata0x5B = "5" + "B" = 0X35 + 0X42。
data帧format如下：
从ASCIImessage帧可以看出，ASCII模式增加了帧start（“：”）和帧End标志（回车&换行），由于messagedata每个byte在ASCII模式下需要2个字符进行Coding，为了保证ASCII模式和RTU模式在应用级兼容，ASCII模式data块最大Length为252×2，所以可以计算出message帧最大Length为1+2+2+2×252+2+2=513字符，message帧内的字符间隔time可以达1秒钟。
Modbus-ASCII模式校验方法采用的是纵向冗余校验 (LRC – Longitudinal Redundancy Checking) 算法，校验内容不包括帧start和帧End字符。
计算方法也比较简单，对校验内容进行累加和计算，忽略进位，并转换为binary补码：
例如Modbus-ASCII模式，主机sendRequest，向address为1的从设备的0x405address，写入numerical value0x1234，message如下：
:010604051234AA<CR><LF>
即：
: 01 06 04 05 12 34 AA <CR><LF>
可以看到01表示Device address，06表示写单个保持register。address为0x0405，data为0x1234，LRC verification值为0xAA。实际进行校验的data不包含帧头和帧尾。
0xAA = LRC(01, 06, 04, 05, 12, 34)。
手动LRC计算方法：
把raw data两个字符组成一个byte，并进行binary加法计算：01+06+04+05+12+34=0x56，计算binary补码：
0x56 = 0101 0110
取反：1010 1001
加1： 1010 1010 = 0xAA
或者：0x100-0x56 = 0xAAModbus-TCPdata帧
Modbus-TCP基于4种message type：
- MODBUS Request是客户机在网络上send用来启动事务处理的message
- MODBUS 证实是在客户端receive的Response信息
- MODBUS 指示是服务端receive的Requestmessage
- MODBUS Response是服务器send的Response信息
Modbus-TCPmessage帧：
More的细节内容，可以在国标《GB-T19582.1-2008 第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南》View。
两种Request模式
Modbus协议中主机可以以两种模式对从机设备发出Request：单播和广播。
单播模式
在单播模式下，从机address必须唯一，address范围1-247。主机以特定address访问指定的某个从机，发出一个Requestdata帧，这个data帧Function可以是读取或写入data，从机receive到并处理Complete后，会回报一个应答data帧，以表示读取或写入成功。
广播模式
在广播模式下，主机向所有的从机发出Requestdata帧，所有的从机都会处理这条命令，对于广播Request，所有的从机无需做出应答Operation。一般address0表示广播address。
但也有一些特殊equipment采用0xFE作为广播address，以一款气体传感器data手册为例，以0xFE作为广播address，来进行Device address修改：
所以要以实际设备的使用手册为准。
ModbusaddressRules
Modbus扩展版本
Modbus 是使用异步传输的方式，速度较慢，应用上有其限制，尤其当两台 PLC 要互相交换Resources，其传输Resources量大，异步方式已经无法满足整体system反应time的要求。所以就有 Modbus Plus 出现，使用同步传输的技术，Resourcesformat与 Modbus 一样，此协议是Modicon专有的，和Modbus不同，它需要一个专门的协处理器来处理类似HDLC的高速令牌旋转。它使用1Mbit/s的双绞线，并且每个节点都有转换隔离设备，是一种采用边沿触发而不是电平触发equipment。connectModbus Plus到计算机需要特别的接口，通常是支持ISA（SA85），PCI或者PCMCIA总线的板卡。
官方标准DocumentDownload
目前比较权威主要有以下2个标准Document：
- Modbus组织2012年4月发布的：modbus_application_protocol_specification_v1.1b3.pdf
- 国家标准《基于Modbus协议的Automation网络规范 GB-T19582.1-2008.pdf》，主要包括3部分
- GB-T19582.1-2008第1部分：Modbus应用协议
- GB-T19582.1-2008第2部分：Modbus协议在串行链路上的实现指南
- GB-T19582.1-2008第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南
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