1、 Modbus简介
Modbus 是由 Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在 1979 年发明的，是全球第一个真正 用于工业现场的总线프로토콜。ModBus 네트워크是一个工业통신系统，由带智能终端的可编程序제어기和계산机通过公用线路或局部专 用线路연결而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可적용于各种데이터采集和过程监控。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的분산형적용，目前施耐德公司已将 Modbus 프로토콜的 所有权移交给 IDA（Interface for Distributed 자동화，분산형自动化인터페이스）组织，并成立了 Modbus-IDA 组织，为 Modbus 今后的发展奠定了基础。
在中国，Modbus 已经成为国家표준，并有专业的프로토콜 사양，感兴趣的可以去查阅相关的文件，详情如下：표준번호为：GB/T19582-2008文件名称：《基于 Modbus 프로토콜的산업 자동화네트워크사양》
主要有三部分的콘텐츠，分别如下：
《GB/T 19582.1-2008 第 1 部分：Modbus 적용프로토콜》
《GB/T 19582.2-2008 第 2 部分：Modbus 프로토콜在串行链路上的实现指南》
《GB/T 19582.3-2008 第 3 部分: Modbus 프로토콜在 TCP/IP 上的实现指南》
2、Modbus프로토콜개요
Modbus是一个主-从모드的통신 프로토콜，属于데이터链路层上的프로토콜，프로토콜本身不涉及具体的硬件要求。常见的적용Modbus프로토콜的物理인터페이스有RS-485、RS232、USART等的통신链路中。Modbus프로토콜中，一个时刻内只允许有一个主机연결于总线，多个从机연결于总线上，통신都是只能由主机发起，从机进行响应。不能从从机主动发起통신。
3、Modbus 主从机통신모드
主机和从机之间的통신，可以用两种모드进行：广播通知모드、单播点对点모드。
3.1、单播点对点모드
主机按照从机的明确주소访问相应的从机，从机接到来自主机的请求并处理完请求后，从机会向主机返回一个应答，完成一个통신。在这种모드，一个 Modbus 事务处理包含 2 个프레임：一个来自主机的请求，一个来自从机的应答。在总线上，每个从机都必须有唯一的从机주소 (1 到 247)，这样才能区别于其它节点被独立的寻址。
3.2、广播通知모드
主机向所总线通过广播指令보내기请求，所有的从机都要수신来自主机的广播信息。对于主机广播的请求，从机是没有应答返回的。所有的从机必须要接受主机的广播模写功能。注意：주소 0 是专门用于主机向各个从机广播데이터的。
4、Modbus 주소规则
Modbus 寻址空间有 256 个不同주소。如下图所示：
주소 0 为广播주소。所有的从机必须识别广播주소。Modbus 主机本身是没有주소的，只有从机必须要有一个주소。该주소必须在 Modbus 串行总线上唯一。248~255作为预留使用的주소。
5、Modbus 的帧형식
Modbus的帧형식按照选择的모드不同帧형식也是有所区别的。
5.1、RTU모드
RTU 모드下的帧형식如下图：
Modbus RTU 帧总길이最大为 256 바이트。RTU 모드每个바이트 ( 11 位 ) 的형식为 :8–位2진수，프레임中每个 8 位바이트含有两个 4 位16진수문자(0–9， A–F)每바이트的 bit 流:1 시작位8 데이터 비트， 首先보내기最低有效位1 位作为奇짝수 패리티1 정지 비트짝수 패리티是要求的， 其它모드 ( 홀수 패리티， 패리티 없음 ) 也可以使用。为了保证与其它产品的最大兼容性， 同时支持패리티 없음모드是建议的。默认체크섬모드모드 必须为짝수 패리티。注 : 使用패리티 없음要求 2 个정지 비트。RTU时，每个문자或바이트均由此顺序보내기(从左到右)：
最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)
5.1.1、RTU모드下的帧통신
由보내기设备将 Modbus 프레임构造为带有已知시작和종료기호的帧。这使设备可以在프레임的开始수신 新帧，并且知道何时프레임종료。不完整的프레임必须能够被检测到而错误标志必须作为结果被设置。在 RTU 모드，프레임帧由时长至少为 3.5 个문자时间的空闲间隔区分。
整个프레임帧必须以连续的문자流보내기。如果两个문자之间的空闲间隔大于 1.5 个문자时间，则프레임帧被认为不完整应该被수신节点丢弃。
注意 :RTU 모드下수신데이터时，由于 t1.5 和 t3.5 的时间隔要求的存在，一般在高통신速率下，会导致 CPU 负担加重。因此，在통신速率等于或低于 19200 bps 时，这两个定时必须严格遵守；对于통신 속도大于 19200 bps 的情形，应该使用 2 个定时的固定值：建议的문자间超时时间(t1.5)为 750µs，帧间的超时时间 (t1.5) 为 1.750ms。下图表示了对 RTU 传输모드状态图的설명。"主节点" 和 "子节点" 的不同角度均在相同的图中表示：
上面状态图的一些解释:
1）从 "初始" 态到 “空闲” 态转换需要 t3.5 定时超时: 这保证帧间지연
2）“空闲” 态是没有보내기和수신프레임要处理的正常状态。
3）在 RTU 모드， 当没有活动的传输的时间间隔达 3.5 个문자长时，통신链路被认为在 “空闲” 态。
4）当链路空闲时， 在链路上检测到的任何传输的문자被识别为帧시작。链路变为 "活动" 状态。然后当链路上没有문자传输的时间间个达到 t3.5 后，被识别为帧종료。
5）检测到帧종료后，完成 CRC 계산和检验。然后，分析주소域以确定帧是否发往此设备，如果不是， 则丢弃此帧。为了减少수신处理时间，주소域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧종료。这 样，CRC 계산只需要在帧寻址到该节点 (包括广播帧) 时进行。
5.1.2、RTU모드的CRC 검증
在 RTU 모드包含一个对전체프레임콘텐츠执行的，基于循环冗余체크섬 (CRC - Cyclical Redundancy Checking) 算法的错误检验域。CRC 域检验整个프레임的콘텐츠。不管프레임有无奇짝수 패리티，均执行此检验。CRC 包含由两个 8 位바이트组成的一个 16 位值。CRC 域作为프레임的最后的域附加在프레임之后。계산后，首先附加低바이트，然后是高바이트。CRC 高字 节为프레임보내기的最后一个子节。附加在프레임后面的 CRC 的值由보내기设备계산。수신设备在수신프레임时重新계산 CRC 的值，并将计 算结果于实际수신到的 CRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。CRC 的계산, 开始对一个 16 位레지스터预装全 1。然后将프레임中的连续的 8 位子节对其进行后续的计 算。只有문자中的 8 个데이터 비트参与生成 CRC 的运算，시작位，정지 비트和패리티不参与 CRC 계산。CRC 的生成过程中， 每个 8–位문자与레지스터中的值异或。然后结果向最低有效位(LSB)方向移动 (Shift) 1 位，而最高有效位(MSB)位置充零。然后提取并检查 LSB：如果 LSB 为 1， 则레지스터中的值与 一个固定的预置值异或；如果 LSB 为 0， 则不进行异或操作。这个过程将重复直到执行完 8 次移位。完成最后一次（第 8 次）移位及相关操作后，下一个 8 位바이트 与레지스터的当前值异或，然后又同上面설명过的一样重复 8 次。当所有프레임中子节都运算之后得到的寄存 器的最终值，就是 CRC。
5.2、ASCII传输모드
当 Modbus 串行链路的设备被설정为使用 ASCII모드통신时，프레임中的每个 8 位바이트以两个 ASCII 문자보내기。一般在통신链路或者设备无法 符合 RTU 모드的定时管理时使用该모드。ASCII的帧형식如下：
比如 : 바이트 0X5B 会被编码为两个문자 : 0x35 和 0x42 ( ASCII 编码 0x35 ="5"， 0x42 ="B" )。注 : 由于一个子节需要两个문자，此모드比 RTU 效率低。
ASCII 모드每个바이트 ( 10 位 ) 的형식为 :16진수，ASCII 문자 0-9， A-F。1 시작位7 데이터 비트， 首先보내기最低有效位1 位作为奇짝수 패리티1 정지 비트짝수 패리티是要求的， 其它모드 ( 홀수 패리티， 패리티 없음 ) 也可以使用。为了保证与其它产品的最大兼容性， 同时支持패리티 없음모드是建议的。默认체크섬모드모드 必须为짝수 패리티。注 : 使用패리티 없음要求 2 个정지 비트。문자是如何串行传送的:每个문자或바이트均由此顺序보내기(从左到右):
最低有效位 (LSB) . . . 最高有效位 (MSB)
5.2.1、ASCII的프레임帧
在 ASCII 모드， 프레임用特殊的문자区分帧시작和帧종료。一个프레임必须以一个‘콜론’ ( : ) (ASCII 16진수 3A )시작，以 ‘回车-换行’ (CR LF) 对 (ASCII 16진수 0D 和 0A) 종료。注 : LF 문자可以通过特定的 Modbus 적용命令 (参见 Modbus 적용프로토콜사양) 改变。对于所有的域，允许传送的문자为16진수 0–9， A–F (ASCII 编码)。设备连续的监视总线上的 ‘冒 号’ 문자。当收到这个문자后，每个设备解码后续的문자一直到帧종료。프레임中문자间的时间间隔可以达一秒。如果有更大的间隔，则接受设备认为发生了错误。特别注意：每个문자子节需要用两个문자编码。因此，为了确保 ASCII 모드 和 RTU 모드在 Modbus 应 用级兼容，ASCII 데이터域最大데이터길이为 (2x252) 是 RTU 데이터域 (252) 的两倍。必然的， Modbus ASCII 帧的最大크기为 513 个문자。ASCII 프레임帧的要求在下面的状态图中综合。"主节点" 和 "子节点" 的不同角度均在相同的图中表示：
上面状态图的一些解释:1）“空闲” 态是没有보내기和수신프레임要处理的正常状态。2）每次수신到 ":" 문자表示新的프레임的开始。如果在一个프레임的수신过程中收到该문자，则当前地프레임 被认为不完整并被丢弃。而一个新的수신缓冲区被重新分配。3）检测到帧종료后，完成 LRC 계산和检验。然后，分析주소域以确定帧是否发往此设备，如果不是， 则丢弃此帧。为了减少수신处理时间，주소域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧종료。
5.2.2、ASCII的LRC체크섬
在 ASCII 모드，包含一个对전체프레임콘텐츠执行的，基于LRC 체크섬 (LRC - Longitudinal Redundancy Checking) 算法的错误检验域。LRC 域检验不包括시작“콜론”和结尾 CRLF 对的整个报 文的콘텐츠。不管프레임有无奇짝수 패리티，均执行此检验。LRC 域为一个子节，包含一个 8 位2진수值。LRC 值由보내기设备계산，然后将 LRC 附在프레임后面。수신设备在수신프레임时重新계산 LRC 的值，并将계산 결과于实际수신到的 LRC 值相比较。如果两个值不 相等，则为错误。LRC 的계산, 对프레임中的所有的连续 8 位바이트相加，忽略任何进位，然后求出其2진수补码。执行检 验针对不包括시작“콜론”和结尾 CRLF 对的整个 ASCII 프레임域的콘텐츠。在 ASCII 모드，LRC 的结果 被 ASCII 编码为两个바이트并放置于 ASCII 모드프레임帧的结尾，CRLF 之前。
6、Modbus的异常码
MODBUS 事务处理的一般处理过程：
一旦服务器处理请求，使用合适的 MODBUS 服务器事务建立 MODBUS 响应。根据处理结果，可以建立两种유형响应：
1） 一个正确的 MODBUS 响应：响应기능 코드 = 请求기능 코드
2） 一个 MODBUS 异常响应
3）用来为客户机提供处理过程中与被发现的差错相关的信息；
4）响应기능 코드 = 请求기능 코드 + 0x80；
5）提供一个异常码来指示差错原因。
7、Modbus的기능 코드
7.1、기능 코드的类别
目前Modbus的功能中可以分为三类：公共기능 코드、用户定义기능 코드、保留기능 코드。
公共기능 코드 ：是已经被定义的기능 코드。
用户定义기능 코드 ：有两个可以由用户定义기능 코드。范围为：65 至 72 和10진수 100 至 110。
保留기능 코드 ：特殊情况下使用的，并且对公共使用是无效的기능 코드。
7.2、公共기능 코드
Modbus中公共기능 코드的定义如下：
7.2.1、코일操作기능 코드（bit位的操作）
比如我要읽기코일中的콘텐츠。从机주소为 11H，코일레지스터的시작주소为 0013H，종료주소为 0037H。需要查询总共 37 个코일레지스터，主机보내기的RTU帧如下：
从机响应的데이터帧如下：
분석：코일 0013H 到코일 001AH 的状态为 CDH，2진수值为 11001101，该바이트的最高바이트为코일 001AH ， 最 低 字 节 为 线 圈 0013H 。各코일 상태与데이터콘텐츠每位相对应。1 代表 ON，0 代表 OFF。线 圈 001AH 到 线 圈 0013H 的 状态分别为：
7.2.2、유지 레지스터操作기능 코드
（1）写多个유지 레지스터
写多个유지 레지스터使用기능 코드10H。比如：从机주소为 11H。유지 레지스터的其实주소为 0001H，레지스터的종료주소为 0002H。总共访问 2个레지스터。유지 레지스터 0001H 的콘텐츠为 000AH，유지 레지스터 0002H 的콘텐츠为 0102H。
主机请求的RTU帧데이터如下：
从机返回的响应为：
（2）读유지 레지스터
读유지 레지스터使用03H기능 코드。比如：从机주소为 11H。유지 레지스터的시작주소为 006BH，종료주소为 006DH。
主机보내기的RTU请求帧如下：
从机的应答如下：
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