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Modbus协议基础概念
什么是Modbus
Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气）于1979年发布。它是工业自动化领域中最常用的通信协议之一，具有以下特点：
- 开放性：免费使用，无需许可证
- 简单性：易于实现和维护
- 可靠性：具有错误检测机制
- 广泛支持：几乎所有PLC和工业设备都支持
主要变种
- Modbus RTU：基于RS232/RS485串行通信
- Modbus TCP：基于以太网TCP/IP通信
- Modbus ASCII：基于ASCII编码的串行通信
基本数据模型
Modbus定义了四种基本数据类型：
| 数据类型 | 地址范围 | 访问权限 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 线圈 (Coils) | 00001-09999 | 读/写 | 单比特，输出类型 |
| 离散输入 (Discrete Inputs) | 10001-19999 | 只读 | 单比特，输入类型 |
| 输入寄存器 (Input Registers) | 30001-39999 | 只读 | 16位，输入类型 |
| 保持寄存器 (Holding Registers) | 40001-49999 | 读/写 | 16位，输出类型 |
Modbus RTU详解
协议特点
- 传输方式：串行通信（RS232/RS485）
- 数据格式：二进制
- 错误检测：CRC16校验
- 传输效率：相对较高（二进制格式）
帧结构
Modbus RTU帧结构如下：
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| 设备地址 | 功能码 | 数据域 | CRC校验 | 间隔 |
| 1 byte | 1 byte | N bytes | 2 bytes | 3.5字符 |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
详细说明：
- 设备地址（1字节）：从站设备地址，0为广播地址，1-247为有效设备地址
- 功能码（1字节）：指定要执行的操作类型
- 数据域（可变长度）：包含请求/响应的具体数据
- CRC校验（2字节）：循环冗余校验，用于检测传输错误
- 静默间隔（3.5字符时间）：帧之间的最小间隔
常用功能码
| 功能码 | 十六进制 | 功能描述 | 操作对象 |
|---|---|---|---|
| 01 | 0x01 | 读线圈状态 | 线圈 |
| 02 | 0x02 | 读离散输入状态 | 离散输入 |
| 03 | 0x03 | 读保持寄存器 | 保持寄存器 |
| 04 | 0x04 | 读输入寄存器 | 输入寄存器 |
| 05 | 0x05 | 写单个线圈 | 线圈 |
| 06 | 0x06 | 写单个寄存器 | 保持寄存器 |
| 15 | 0x0F | 写多个线圈 | 线圈 |
| 16 | 0x10 | 写多个寄存器 | 保持寄存器 |
通信流程
- 主站发送请求：主站构造请求帧并发送给从站
- 从站接收处理：从站接收帧，校验CRC，解析功能码
- 从站响应：从站执行操作并返回响应帧
- 主站接收响应：主站接收响应，校验CRC，解析数据
Modbus TCP详解
协议特点
- 传输方式：以太网TCP/IP
- 数据格式：二进制
- 错误检测：依赖TCP协议的校验机制
- 传输效率：网络传输，速度快
帧结构
Modbus TCP在RTU基础上添加了MBAP头：
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| 事务ID | 协议ID | 长度域 | 单元ID | 功能码 | 数据域 |
| 2 bytes | 2 bytes | 2 bytes | 1 byte | 1 byte | N bytes |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| MBAP头部 | PDU部分 |
详细说明：
- 事务ID（2字节）：用于匹配请求和响应
- 协议ID（2字节）：Modbus协议标识符，通常为0
- 长度域（2字节）：后续数据的字节数
- 单元ID（1字节）：目标设备标识符
- 功能码（1字节）：与RTU相同的功能码
- 数据域（可变长度）：实际的数据内容
与RTU的区别
- 无CRC校验：TCP层提供错误检测
- 添加MBAP头：提供事务管理和路由信息
- 网络传输：基于以太网，支持远程通信
- 并发连接：支持多个客户端同时连接
Spring Boot集成Modbus RTU
依赖配置
在pom.xml中添加必要依赖：
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
</dependency>
<!-- Modbus4j库 -->
<dependency>
<groupId>com.infiniteautomation</groupId>
<artifactId>modbus4j</artifactId>
<version>3.0.3</version>
</dependency>
<!-- 串口通信库 -->
<dependency>
<groupId>org.scream3r</groupId>
<artifactId>jssc</artifactId>
<version>2.8.0</version>
</dependency>
<!-- 或者使用RXTX -->
<dependency>
<groupId>org.rxtx</groupId>
<artifactId>rxtx</artifactId>
<version>2.1.7</version>
</dependency>
</dependencies>
配置类
@Configuration
@ConfigurationProperties(prefix = "modbus.rtu")
@Data
public class ModbusRtuConfig {
private String portName = "COM1";
private i