2.3 Modbus通信协议

2.3.1 Modbus协议概述

1.Modbus协议

Modbus协议是一种Modicon公司（现属施耐德）开发的通信协议，最初的目的是实现可编程控制器之间的通信。该公司后来还推出了增强型Modbus协议——Modbusplus（MB+）。该串行网络上可连接32个节点，利用中继器可扩展至64个节点。Modbus通信协议被自动化行业广泛认可，成为一种事实上的标准协议。Modbus协议定义了一种公用的消息结构，无论它们是经过何种网络进行通信的都不受影响。协议规定了信息帧的格式，描述了服务器端请求访问其他客户端设备的过程，如怎样回应来自其他设备的请求及怎样侦测错误并记录。通过Modbus协议在网络上通信时，必须清楚每个设备地址，根据设备地址来决定要产生何种行动。

2.主从查询-回应

Modbus通信属于主从通信模式，其工作方式表现为请求/应答，每次通信都是主站先发送指令，可以是广播或向特定从站单播，从站响应指令，要求应答或报告异常；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信。在Modbus通信网络中，主站/从站的确定根据应用需求而定。例如，PLC与多台变频器通过Modbus协议通信，一般PLC作为主站，变频器作为从站。当计算机与多台PLC通过Modbus协议通信时，计算机是主站，PLC是从站。

Modbus协议建立了主站的查询信息：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据和错误检测域。从站的回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、要返回的数据和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从站不能执行其命令，那么从站将建立错误消息并把它作为回应发送出去。图2.6所示为主从查询-回应过程，查询消息中的功能代码告之被选中的从站要执行何种功能。数据段包含从站要执行的功能的所有附加信息。例如，功能代码03是要求从站读保持寄存器并返回其内容。数据段必须包含要告之从站的信息：从哪个寄存器开始读及要读的保持寄存器的数量。错误检测域为从站提供了一种验证消息内容是否正确的方法。如果从站产生正常的回应，那么回应消息中的功能代码是查询消息中的功能代码的回应。数据段包括从站收集的数据：寄存器值或状态。如果有错误发生，那么功能代码将被修改，以用于指出回应消息是错误的，且数据段包含描述此错误信息的代码。错误检测域允许主站确认消息内容是否可用。

还能将Modbus这种主从工作方式看作典型的源/目的（Source/Destination）通信模式。源端每次只能和一个目的地址通信，源端提供的实时数据必须满足每个目的端的实时性要求。对于广播方式，有些目的端可能不需要源端发出的数据，因此浪费了时间。此外，随着节点增多，源端每次通信轮询需要的时间更多，从而导致源端与目的端的实时数据通信周期增加。

2.3.2 常用Modbus协议及报文解析

1.Modbus体系结构

Modbus协议是OSI参考模型中的应用层报文传输协议，借由各种类型的传输介质连接不同的网络通信设备，完成主站/从站之间的信息交换。

如图2.7所示，Modbus协议分为三层，即物理层、数据链路层和应用层，对应于OSI参考模型的层次。在工业现场中存在各种网络，可能采用不同的通信介质，Modbus支持串行链路及以太网通信链路，使得协议的应用场景较为广泛。

常用的Modbus串行通信协议有两种报文格式：一种是Modbus ASCII；另一种是Modbus RTU。一般来说，通信数据量少时采用Modbus ASCII协议，通信数据量大且是二进制数时，多采用Modbus RTU协议。工业上一般都采用Modbus RTU协议。

Modbus TCP是随以太网兴起而产生的新协议，它是建立在标准的TCP基础上的Modbus扩展协议。Modbus应用数据单元ADU加上TCP/IP组成了Modbus TCP的数据帧。Modbus TCP的典型特征是面向连接。Modbus TCP在Modbus的基础上增加了连接操作，涵盖数据交换和连接操作。在TCP中，一个连接请求很容易被识别并建立，一个连接可以承载多个独立的数据交换。此外，TCP允许大量的并发连接，连接发起者可以自由选择另外建立一个连接或保持一个长期连接。

串行链路上的Modbus协议采用主站/从站模式，且仅能存在一个Modbus主站，但可以存在多个Modbus从站，通过设备站号/地址来识别。发出数据请求的是主站，做出数据应答的是从站。TCP/IP上的Modbus协议采用客户机/服务器模式，发出数据请求的一方为客户机，做出数据应答的一方为服务器。Modbus TCP以太网作为物理层，将Modbus报文嵌入TCP/IP应用层，通信质量取决于TCP/IP及物理通道，依托于TCP/IP的传输层协议，TCP保证了Modbus协议在通信过程中的安全性、可靠性及准确性。

Modbus协议的一系列操作都是以Modbus寄存器为基础的，Modbus寄存器是逻辑上的寄存器，并非真实的物理寄存器。Modbus协议定义了4种寄存器，即保持寄存器、线圈寄存器、输入寄存器及离散寄存器，如表2.3所示。不同寄存器代表不同的Modbus数据模型，具有不同的物理意义。

Modbus协议标准也规定了对Modbus数据模型的操作，不同Modbus功能码代表不同操作，如表2.4所示。

2.Modbus报文解析

Modbus协议规定了与数据链路层、物理层无关的通用协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU），通用Modbus报文结构如图2.8（a）所示。但Modbus在通信时，总要依赖物理网络，因此，要把PDU映射到物理网络上，这就形成了应用数据单元（Application Data Unit，ADU）。Modbus协议采用大端模式，即在传输两个或两个以上字符时，先发送地址和数据的高字节。

对于串行链路上或以太网上的Modbus协议，其通用Modbus报文结构需要在Modbus协议数据单元添加固定格式。Modbus在串行链路上的报文结构在PDU基础上添加了地址域和校验字节，Modbus RTU报文结构如图2.8（b）所示。ADU为256字节，其中，地址占用1字节，校验码占用2字节。每个从站地址均在1～147（不包括预留的）中，地址0用于广播（此时从站不需要响应主站），主站不需要地址。

Modbus TCP弱化了设备地址，用IP地址来取代设备地址。同时，鉴于TCP本身带有校验，因此，Modbus TCP报文不再保留地址域和CRC校验，只包含协议数据单元。Modbus TCP报文在Modbus协议数据单元头部添加了MBAP报文头，其中包括长度、单元标志符等字段域，共7个字节，如图2.9所示。Modbus TCP在通信时，使用502端口，因此，系统要进行预留。

下面举一个Modbus TCP功能码为01的客户机和服务器通信的案例，已知服务器（PLC）中物理线圈（Y32～Y37）的存储值为35，即Y37、Y36、Y34和Y32为ON，其他位为OFF。线圈对应的寄存器地址范围为0x0020～0x0025。现在客户机要求读取服务器中物理线圈（Y32～Y37）的状态。从物理层到TCP层的报文不做分析，从应用层Modbus应用数据ADU开始分析，请求报文是0000 0000 0006 02 01 0020 0006，回应报文是0000 0000 0004 06 01 01 35，如表2.5和表2.6所示。

这里再举一个Modbus TCP功能码为03的客户机和服务器通信的案例。客户机IP地址为192.169.1.75，服务器IP地址为192.168.1.100。客户机读取服务器的11个保持寄存器（从400001到400011）。用Wireshark抓取客户机查询服务器通信，如图2.10所示。这里可以看到，作为应用层，Modbus TCP在TCP层的下面，而Modbus在Modbus TCP层的下面。从图2.10中还可以看出Modbus TCP报文结构、Modbus报文结构。可以看出，查询时，客户机发送的Modbus TCP报文为03 c3 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0b，其中，Modbus报文是03 00 00 00 0b。

用Wireshark抓取服务器响应客户机的数据包，如图2.11所示。Modbus服务器返回的Modbus TCP报文如图2.11中加底色的部分（从03 c3开始，到02 58结束）。其中，7f fe是第一个寄存器（在图2.11中是Register 0，即400001）采样的数值（十进制为32766），其他寄存器的数值都为0。TCP报首从01 f6开始，到Modbus TCP报文起始的03前结束，共20个字节。其中，01 f6是源端（从站或服务器）的端口号502。

2.3.3 Modbus通信仿真工具

Modbus Poll和Modbus Slave分别是常用的Modbus主站和Modbus从站的模拟程序，实用性强，十分便于Modbus通信程序的开发和调试。

（1）Modbus主站仿真软件Modbus Poll。

该软件主要用于测试和调试Modbus从站，支持Modbus RTU、ASCII、TCP/IP等通信协议。它支持多文档接口，即可以同时监视多个从站/数据域。在每个窗口简单地设定从站的ID、功能、地址、大小和轮询间隔等。用户可以从任意一个窗口读/写寄存器/线圈值，也可以双击该数值来改变一个单独的寄存器或多个寄存器/线圈值。软件提供多种数据格式，包括浮点、双精度、长整型（可以交换字节序列）等。

（2）Modbus从站仿真软件Modbus Slave。

该软件可以仿真32个从站/地址域，每个接口都提供了对Excel报表的OLE自动化支持，主要用来模拟Modbus从站设备，接收主站的命令包，并发送数据包。该软件可以帮助Modbus通信设备开发人员进行Modbus通信协议的模拟和测试，用于模拟、测试、调试Modbus通信设备。可以在32个窗口中模拟多达32个Modbus子设备。该软件与Modbus Poll的用户界面相同，支持的Modbus功能码有01（读取线圈状态）、02（读取输入状态）、03（读取保持寄存器）、04（读取输入寄存器）、05（强置单线圈）、06（预置单寄存器）、15（强置多线圈）、16（预置多个寄存器）、22（位操作寄存器）和23（读/写寄存器）。

（3）Modbus Poll与Modbus Slave通信模拟。

这里，为方便起见，在一台计算机中分别运行Modbus Poll与Modbus Slave软件，在两个软件的连接设置中进行连接参数设置，如图2.12所示。设置Modbus UDP/IP连接，IP地址就是计算机的网卡IP地址，端口号默认为502。注意保持主站和从站的网络参数一致。

如果选串行通信方式测试Modbus Poll与Modbus Slave之间的通信，除了需要设置串行通信参数，还要用虚拟串口软件虚拟出一个串口用于主站/从站通信。同样，主站/从站之间的通信参数要一致。

在Modbus Poll的Setup中选择保持寄存器。连接成功后，可以在主站或从站修改寄存器数据，在从站或主站能看到参数的传递，两者的数值是一定的，图2.13所示为采用Modbus UDP协议通信时Modbus Poll与Modbus Slave的通信界面。