Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现施耐德电气）于1979年提出，主要用于工业自动化领域中的主从设备通信。其设计简单、开放、易于实现，成为工业中应用广泛的协议之一。以下是Modbus协议的详细解析：

    1. 协议特点

• 主从架构：单主站（Master）发起请求，多个从站（Slave）响应，从站地址范围为1~247。

• 协议开放：无版权限制，可使用。

• 传输介质支持：兼容RS-232/RS-485（Modbus RTU/ASCII）和以太网（Modbus TCP）。

• 数据模型：定义4种标准数据区，通过功能码（Function Code）访问。

     2. 协议变体

(1) Modbus RTU

• 传输方式：二进制编码，通过RS-485/RS-232传输。

• 帧格式：

  [从站地址][功能码][数据][CRC校验]

  • CRC校验：16位循环冗余校验（如0xFFFF）。

• 特点：效率高，适用于低速串行通信（典型波特率9600~115200bps）。

(2) Modbus ASCII

• 传输方式：ASCII字符（十六进制文本），通过RS-485/RS-232传输。

• 帧格式：

  :[从站地址][功能码][数据][LRC校验][CR][LF]

  • LRC校验：纵向冗余校验。

• 特点：可读性强，但效率低于RTU。

(3) Modbus TCP

• 传输方式：基于TCP/IP（端口号502），用于以太网通信。

• 帧格式：

  [MBAP头][从站地址][功能码][数据]

  • MBAP头：包含事务标识符、协议标识符（固定0）、长度字段。

• 特点：无校验（依赖TCP可靠性），适合高速网络通信。

     3. 典型通信流程

以Modbus RTU读取保持寄存器为例：

1. 主站请求帧（读从站1的寄存器40001~40002）：

   01 03 00 00 00 02 C4 0B

   • 01：从站地址

   • 03：功能码（读保持寄存器）

   • 00 00：起始地址（0对应Modbus地址40001）

   • 00 02：寄存器数量

   • C4 0B：CRC校验

2. 从站响应帧（返回两个寄存器的值0x1234和0x5678）：

   01 03 04 12 34 56 78 8A 1F

   • 04：数据字节数

   • 12 34 56 78：寄存器数据（大端格式）

     4. 应用场景

• PLC通信：如西门子S7-1200与器的Modbus RTU控制。

• SCADA系统：远程监控数据（如温度、压力）。

• 能源管理：数据采集（如Modbus TCP读取智能电表参数）。

• 设备互联：工业机器人与其他设备的协调控制。

   5. 优缺点分析

• 优点：

  • 简单易实现，开发成本低。

  • 跨厂商兼容性强（如ABB、施耐德设备互通）。

• 缺点：

  • 无加密机制（安全性差，需配合VPN或防火墙）。

  • 仅支持单主站，实时性受限。

     6. 扩展协议

• Modbus Plus（MB+）：高速令牌环网协议（施耐德专用）。

• Modbus Secure：基于TLS加密的增强版本（较少应用）。

    总结

Modbus是工业自动化的“通用语言”，其价值在于标准化数据访问。在工业4.0和IIoT背景下，Modbus TCP与OPC UA、MQTT等协议共存，继续发挥重要作用。开发时需根据实时性、距离和网络环境选择RTU、ASCII或TCP变体。