前言
大家好，我是新閣上位機開發付老師。
我算了一下，今年是我跟Modbus相識的第10年，從最開始的簡單應用到協議瞭解，從協議開發到協議講解，這個陪伴了10年的協議，它一直沒變，變的只是我對它的理解和認識。
我一直認爲Modbus協議的存在有它的歷史意義，也就是說即使沒有Modbus，也可能會出一個ABUS、DBUS之類的協議，因爲控制器與控制器之間通信，一個標準協議，會大大提供開發效率。
因此，現在國產的各種品牌PLC，比如臺達、匯川、信捷等，這些PLC都是支持Modbus協議，也就是說，學會了Modbus協議，我們可以很輕鬆與這些PLC實現數據通信。
文章有點長，感謝大家耐心閱讀，文末有福利！
Modbus協議能夠成爲工業領域應用最廣泛的協議，它必須具備以下幾個特點：
1、免費：這個是最大的前提，任何產品都是一樣，只有通過免費才能獲取到前期最大的使用量。
2、簡單：Modbus協議幀格式簡單緊湊，用戶容易理解，廠商容易集成。
3、接口：Modbus協議只是一種規約，屬於應用層的協議，因此不僅可以應用在串口（485/232/422），也可以在以太網、光纖、藍牙、無線上傳輸。
存儲區分類
我一般介紹Modbus協議的時候，喜歡站在Modbus規約制定者的角度，結合一些事物來對比說明，這樣對很多人來說，可能會更加容易理解。
假設沒有Modbus協議，我們想要制定一個協議，我們首先要明確，協議的目的是爲了數據傳輸，因此，爲了更好地存儲不同的數據類型，我們會將布爾和非布爾的數據分開存儲，因此，就有了線圈和寄存器的概念。
線圈和寄存器，這個經常被很多人詬病，認爲不應該這麼翻譯，感覺不容易理解。從電氣角度來看，在電氣控制迴路中，一般都是靠接觸器或中間繼電器來實現控制，接觸器或中繼最終靠的是線圈的得電和失電來控制觸點閉合和斷開，因此用線圈表示布爾量；而寄存器在計算機中，就是用來存儲數據的，因此非布爾的數據放在寄存器裏。
這個可以跟PLC的存儲區來進行對比，西門子的I/Q/M都是線圈，V/T/C/DB都是寄存器，三菱的X/Y都是線圈，D/W/H都是寄存器，歐姆龍的CIO是線圈，D/W/H是寄存器。
以西門子爲例，雖然I和Q都表示線圈，但是他們的分工是不同的，I表示輸入，Q表示輸出，輸入意味着該存儲區裏的值必須由外部設備接入，是隻讀的，輸出表示輸出結果給外部設備，是可讀可寫的。
因此，Modbus的線圈和寄存器應該也按照只讀、讀寫來進一步細分，因此這就形成了Modbus的存儲區，如下表所示：
| 序號 | 讀寫 | 存儲類型 | 存儲區名稱 |
| 1 | 只讀 | 線圈 | 輸入線圈 |
| 2 | 讀寫 | 線圈 | 輸出線圈 |
| 3 | 只讀 | 寄存器 | 輸入寄存器 |
| 4 | 讀寫 | 寄存器 | 保持寄存器 |
存儲區代號
然而，上面表格裏的存儲區名稱是一個全稱，開發和使用中使用全稱會比較麻煩，因此需要給他們取個別名，就像西門子的I/Q/M一樣，這些都是西門子給存儲區取的一個代號，所以Modbus也要給這些存儲區取一個代號，乾脆直接用數字吧，於是，就有了下面的規定：
| 存儲區名稱 | 存儲區代號 |
| 輸入線圈 | 1區 |
| 輸出線圈 | 0區 |
| 輸入寄存器 | 3區 |
| 保持寄存器 | 4區 |
這個其實就跟我們的姓名和小名一樣，姓名是正式場合使用，日常場合，我們一般可以使用小名。
存儲區範圍
無論是什麼存儲區，都會有一個範圍的限制，就像西門子的M區可能最大到8192，三菱的X區最大到2048，Modbus的每個存儲區也應該規定一個範圍，不能無限制使用。
Modbus是這麼規定的，每個存儲區的最大範圍是65536，這個範圍是很大的。
我們再以三菱的X區爲例，如果最大範圍是2048，那麼意味着我們只能訪問X0-X2047這些地址，我們這裏說的X0、X2047，就是我們常說的PLC地址，那麼這個地址是怎麼組成的呢？它是由存儲區編號加上一個地址索引組成，我們把這樣的PLC地址，理解爲絕對地址，後面的地址索引，理解爲相對地址。
所謂絕對地址，就是我們僅僅通過一個地址名稱，就能知道是什麼存儲區的第幾個數據，而這個第幾個，就是我們說的相對地址，因此絕對地址是唯一的，相對地址，每個存儲區都有。
那麼對於Modbus來說，我們的絕對地址和相對地址是怎麼樣的呢？
我們仍然遵從公式：絕對地址=區號+相對地址。
但是也會有一些不一樣的地方，以保持型寄存器爲例，第一個絕對地址是400001，這個地方不是400000，這個是由Modbus規約決定的，其它存儲區也是類似的。
因此，Modbus存儲區範圍如下圖所示：
正如上文所說，65536這個範圍是很大的，但在實際使用中，我們一般用不了這麼多地址，一般情況下，10000以內就已經足夠我們使用了，因此，爲了方便起見，我們有一種短的地址模型，如下圖所示：
功能碼
功能碼這個概念，我們可以這麼去理解，先回到我們的初衷，協議的目的是爲了數據傳輸，也就是爲了讀取數據和寫入數據，我們已經確定好4個存儲區，存儲不同的數據類型，那麼接下來我們就要對這些存儲區進行讀寫，那麼可能會產生很多種不同的行爲，比如讀取輸入線圈存儲區、讀取輸出線圈存儲區，這就是兩種不同的行爲，同樣的，如果用讀取輸入線圈存儲區、讀取輸出線圈存儲區，會比較麻煩，那麼我們乾脆給每種形成指定一個代號，那麼這種代號就是功能碼。
我們再來探討一下，究竟有多少種不同的行爲呢？
讀取和寫入是2種行爲，存儲區有4個，但是我們知道輸入線圈和輸入寄存器是隻讀的，因此不能進行寫入，除去這2種的話，應該會產生6種不同的行爲，如下圖所示：
| 行爲序號 | 具體行爲 |
| 1 | 讀取輸入線圈 |
| 2 | 讀取輸出線圈 |
| 3 | 讀取輸入寄存器 |
| 4 | 讀取保持寄存器 |
| 5 | 寫入輸出線圈 |
| 6 | 寫入保持寄存器 |
然而，Modbus規約將寫入輸出線圈和寫入保持寄存器這2種行爲，又進一步做了細分，包括寫入單個和寫入多個，因此原來的6種行爲就變成了8種行爲，同時給每種行爲設置一個代號，就形成了下圖所示的功能碼列表：
| 功能碼 | 功能說明 |
| 0x01 | 讀取輸出線圈 |
| 0x02 | 讀取輸入線圈 |
| 0x03 | 讀取保持寄存器 |
| 0x04 | 讀取輸入寄存器 |
| 0x05 | 寫入單個線圈 |
| 0x06 | 寫入單個寄存器 |
| 0x0F | 寫入多個線圈 |
| 0x10 | 寫入多個寄存器 |
Modbus規約中的功能碼其實不止這8個，還有一些功能碼是用於診斷或異常碼，但是一般很少使用，這8種功能碼是最主要的核心功能碼。
協議分類
Modbus嚴格來說，是一個標準化的規約，而不是一個具體協議。我們常說的設備A和設備B之間通過Modbus協議來通信，這句話其實是不嚴謹的。
Modbus規約上有三種不同的協議，分別是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp。
一般來說，ModbusRtu和ModbusAscii是運行在串口上的協議，ModbusTcp是運行是以太網上的協議，但是這並非絕對的，我們也可以將ModbusRtu、ModbusAscii運行在以太網或光纖上使用，同樣的，在串口網絡裏，我們也可以使用ModbusTcp的協議，因爲協議只是一種規範，並不限制通信介質。
報文格式
前面我們說了Modbus有三種不同的協議，分別是ModbusRtu、ModbusAscii、ModbusTcp，那麼這三種協議的報文格式也是不同的，下面分別對這三種協議的報文格式進行說明：
- ModbusRtu的報文格式如下：
第一部分：從站地址，佔1個字節
第二部分：功能碼，佔1個字節
第三部分：數據部分，佔N個字節
第四部分：校驗部分，CRC校驗，佔2個字節
2. ModbusAscii的報文格式如下：
第一部分：開始字符（:）
第二部分：從站地址，佔2個字節
第三部分：功能碼，佔2個字節
第四部分：數據部分，佔N個字節
第五部分：校驗部分，LRC校驗，佔2個字節
第六部分：結束字符（CR LF）
3. ModbusTcp的報文格式如下：
第一部分：事務處理標識符，佔2個字節
第二部分：協議標識符，佔2個字節
第三部分：長度，佔2個字節
第四部分：單元標識符，佔1個字節
第五部分：功能碼，佔1個字節
第六部分：數據部分，佔N個字節
調試軟件
Modbus學習成本很低，因爲協議是公開免費的，我們可以直接獲取到《Modbus中文協議文檔》。
同時，也有很多調試軟件可以進行仿真調試，因此我們可以在不購買任何硬件的情況下，就把Modbus協議學好。
【協議文檔和調試軟件】可以聯繫助教老師獲取。
Modbus 學習必須要配合相關的調試軟件，可以達到事半功倍的效果，Modbus
學習必備的三大神器分別是 ModbusPoll、ModbusSlave 及 VSPD，ModbusPoll 軟件主要用於仿真 Modbus主站或 Modbus 客戶端，ModbusSlave 軟件主要用於仿真 Modbus 從站或 Modbus 服務器，而 VSPD 全稱 Configure Virtual Serial Port Driver，是用來給電腦創建虛擬串口使用的。
即使我們想要結合硬件，支持Modbus協議的設備也有很多，各種品牌PLC、各種品牌的儀表、各種溫溼度傳感器、流量計等都可以很好地支持Modbus協議。
深入學習
紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。
爲了便於大家更好地掌握了Modbus協議，我們組織了一次集訓營《3天學會分析上位機通信報文與通信實踐》，希望可以通過項目實戰的形式，來帶大家深入瞭解Modbus協議原理及應用。學習從今天開始，想要參加的小夥伴可以來騰訊課堂報名，搜新閣上位機，報名3天集訓營。我是新閣付老師，20點我在騰訊課堂等你。