Modbus 简介

什么是 Modbus

Modbus 是工业界常用的一种通讯协议,可以理解为是一种通讯的约定。

Modbus 协议包括 RTU、ASCII、TCP,其中 Modbus-RTU 最常用,比较简单,在单片机上很容易实现。Modbus RTU 协议定义了一个与下层通信层无关的简单协议数据单元(PDU),串行链路上的 Modbus RTU 帧格式如下图所示。

其中,地址字段只含有从机地址;功能码指示指令要执行何种操作;功能码的后续数据是请求或响应数据字段;差错检验字段是“报文内容”数据进行“循环冗余校验”计算所得结果,采用 CRC16 循环冗余校验算法。

Modbus 和 OPC UA、MQTT 等通讯协议本质上是一样的,都是为了实现多个设备相互通信的应用层协议。

Modbus 的起源与发展

Modbus 协议于 1979 年由 Modicon 公司(现被 Schneider 公司收购)设计开发,一经面世因其简单开放的通信方式逐渐成为工业系统中流行的标准,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。

后来,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 Modbu-IDA 国际组织,负责推广 Modbus 标准以及对 Modbus 产品进行认证。

现在,我们可以从 Modbus 官网 www.modbus.org 找到相关协议文档、Modbus 产品和厂商等信息。

Modbus 通信协议特点

Modbus 协议定义了一个控制器能够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。因此,底层通信方式可以使用 RS232,RS485 等串行链路,也可以使用 TCP/IP 以太网链路。当在 Modbus 网络上通信时,控制器必须要知道该网络中其他从设备的地址,才能识别按地址发来的消息,并作出相应行为。

简单来说,Modbus 通信协议具有以下几个特点:

  • Modbus 协议标准开放、公开发布且无版税要求,用户可以免费获取并使用 Modbus 协议,不需要缴纳许可证费;
  • Modbus 最开始使用 RS232,RS485 等串行链路作为底层通信方式,串行总线的接口芯片成本低,而且布线也简单方便;
  • Modbus 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、无线等;
  • Modbus 是简单地应用层协议,其协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂,便于用户理解和使用、厂商开发和集成,方便形成工业控制网络。

为什么要学习 Modbus

虽然 Modbus 已经发展到了极为成熟的阶段,但由于其协议的简单性以及便于在多种通信媒介上实施的应用特点,Modbus 仍然是当前工业电子设备之间常用的连接方式之一。在某种程度上来说,Modbus 通信协议就是工业领域通信协议的业界标准。在物联网蓬勃发展的当下,了解并掌握广泛应用的 Modbus 通信协议意义重大。

下图展示了 Modbus RTU 网络的设备连接。

专业术语

在 Modbus 开发中的常见专业术语如下:

  • Master :主(站)设备
  • Slave :从(站)设备
  • Client :客户端,对应 Master 设备
  • Server :服务器端,对应 Slave 设备
  • ADU :应用数据单元(Application Data Unit)
  • PDU :协议数据单元(Protocol Data Unit)
  • MSB :最高有效位(Most Significant Bit)
  • LSB :最低有效位(Least Significant Bit)
  • MBAP :Modbus 应用协议(Modbus Application Protocol)
  • PLC :可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)
  • RTU :远程终端单元(Remote Terminal Unit)
  • SCADA :监督控制和数据采集(Supervisory Control And Data Acquisition)

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