说到工业设备通信，Modbus 绝对是个老江湖了。这个协议从 1979 年就开始混工业圈，到现在还是各种工厂、电力系统的通信标准。
想象一下，你有一堆不同厂家的设备：西门子的 PLC、施耐德的传感器、ABB 的变频器，它们要互相聊天怎么办？Modbus 就像是它们之间的"普通话"，让大家都能听懂对方在说什么。
今天我们就来聊聊这个工业通信的"万金油"协议，看看它是怎么让各种设备愉快地交流的。
1. 协议基础
1.1 物理层
Modbus 可以在多种物理介质上运行：
串口通信（RS-232、RS-485）
这是传统的串行通信方式：
RS-232：支持全双工通信，可以同时收发数据，但传输距离有限，通常在15米以内。适合近距离的点对点连接，比如电脑直连传感器。
RS-485：采用半双工通信，同一时刻只能单向传输，但传输距离可达1200米。支持多点连接，一条总线可以挂接多个设备。这是工业现场最常用的方式。
以太网
基于TCP/IP协议的网络通信，传输速度快、距离远，适合大型工厂的分布式系统。相比串口通信，以太网具有更高的带宽和更好的扩展性。
1.2 传输模式
Modbus 支持两种数据传输模式：
RTU 模式（二进制模式）
采用二进制格式传输数据，具有数据紧凑、传输效率高的特点。消息之间通过时间间隔来分隔，当总线空闲超过3.5个字符时间时，就认为一帧数据结束。这是工业现场的主流选择。
ASCII 模式（文本模式）
数据以ASCII字符形式传输，每个字节用两个ASCII字符表示。消息以冒号（:）开始，以回车换行（CRLF）结束。虽然传输效率较低，但数据可读性好，便于调试和监控。
1.3 通信方式
Modbus 采用主从式通信架构：
主站（Master）：负责发起通信，主动向从站发送请求。通常是 PLC、工控机、上位机等控制设备。
从站（Slave）：被动响应主站的请求，不能主动发起通信。通常是传感器、执行器、变频器等现场设备。
一个主站可以管理多个从站（最多247个），但从站之间不能直接通信，所有数据交换都必须通过主站进行。这种架构保证了通信的有序性和可控性。
2. 数据模型
Modbus 将设备数据分为四种类型，每种类型有不同的用途和特点：
2.1 离散量输入：只能看的开关状态
就像汽车仪表盘上的指示灯，你只能看，不能控制。比如：
- 门是否打开（开/关）
- 传感器是否检测到物体（有/无）
- 设备是否运行正常（正常/故障）
每个状态只占 1 位（0 或 1），地址范围是 1-9999。
2.2 线圈：能控制的开关
就像家里的电灯开关，你既能看到当前状态，也能控制开关。比如：
- 控制电机启动/停止
- 控制阀门开启/关闭
- 控制报警器开启/关闭
每个线圈也是 1 位，地址范围是 0-9999。
2.3 输入寄存器：只能读的数值
就像温度计，你只能读数，不能改变温度。比如：
- 当前温度值（25.6°C）
- 当前压力值（1.2MPa）
- 设备运行时间（1234小时）
每个寄存器是 16 位（2 字节），能存储 0-65535 的数值，地址范围是 30001-39999。
2.4 保持寄存器：能读写的参数
就像空调的温度设定，你既能看到当前设定值，也能修改它。比如：
- 设定目标温度（26°C）
- 设定运行速度（1500 RPM）
- 设定报警阈值（80°C）
同样是 16 位，地址范围是 40001-49999。
3. 消息结构：数据包是怎么组装的？
3.1 RTU 模式消息结构：紧凑的数据包
RTU 模式的数据包就像一个标准的快递包裹：
| 从站地址 | 功能码 | 数据 | 校验码（CRC） |
|---|---|---|---|
| 1 字节 | 1 字节 | N 字节 | 2 字节 |
从站地址：就像快递单上的收件人地址，告诉数据包要送到哪个设备。地址 1-247 是具体设备，地址 0 是广播（所有设备都收到）。
功能码：就像快递单上的"业务类型"，告诉设备要做什么操作：
- 01：读线圈状态（“帮我看看开关是开还是关”）
- 02：读离散量输入（“帮我看看传感器状态”）
- 03：读保持寄存器（“帮我看看当前设定值”）
- 04：读输入寄存器（“帮我看看测量值”）
数据：就像快递包裹里的具体内容，根据功能码不同而不同。比如要读哪个地址、读几个数据等。
校验码（CRC）：就像快递的完整性检查，确保数据在传输过程中没有损坏。用的是循环冗余校验算法，很可靠。
3.2 ASCII 模式消息结构：可读的数据包
ASCII 模式就像发短信，有明确的开头和结尾：
起始符（:） |
从站地址 | 功能码 | 数据 | 校验码（LRC） | 结束符（CRLF） |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 字符 | 2 字符 | 2 字符 | N 字符 | 2 字符 | 2 字符 |
起始符（:）：就像短信的"开头"，告诉大家"我要开始说话了"。
从站地址、功能码、数据：内容和 RTU 模式一样，只是用可读的字符表示，比如地址 1 会写成 “01”。
校验码（LRC）：用纵向冗余校验，比 CRC 简单一些，但也够用。
结束符（CRLF）：就像短信的"结尾"，相当于回车换行，告诉大家"我说完了"。
4. 功能码
功能码就像设备之间的"暗号"，不同的数字代表不同的操作。就像餐厅的菜单编号，服务员一看就知道客人要什么。
4.1 读取操作
01（读线圈状态）：查看开关状态
- 主站问：“1号到10号线圈现在什么状态？”
- 从站答：“1号开，2号关，3号开…”
02（读离散量输入）：查看传感器状态
- 主站问：“门传感器和温度报警器现在什么状态？”
- 从站答：“门是关的，温度正常”
03（读保持寄存器）：查看当前设定值
- 主站问：“目标温度设定的是多少？”
- 从站答：“设定温度是25度”
04（读输入寄存器）：查看当前测量值
- 主站问：“现在实际温度是多少？”
- 从站答：“当前温度是23.5度”
4.2 写入操作
05（写单个线圈）：控制单个开关
- 主站说：“把1号电机启动”
- 从站答：“好的，已经启动”
06（写单个保持寄存器）：修改单个参数
- 主站说：“把目标温度改成28度”
- 从站答：“好的，已经设定为28度”
15（写多个线圈）：批量控制开关
- 主站说：“把1-5号电机都启动”
- 从站答：“好的，5台电机都已启动”
16（写多个保持寄存器）：批量修改参数
- 主站说：“把温度设定28度，湿度设定60%，风速设定3档”
- 从站答：“好的，所有参数都已设定完成”
5. 错误处理
设备也会"闹脾气"，当它收到奇怪的指令或者自己出了问题，就会"报错"。
5.1 错误响应格式
从站报错的时候，会把功能码的最高位设为 1（相当于在原功能码上加 128），然后附上具体的错误原因。就像服务员说"不好意思，您点的菜我们做不了，原因是…"
5.2 常见错误类型
01（非法功能码）：不支持的操作
- 比如你让一个只能读数据的设备去写数据，它就会这样回复
02（非法数据地址）：地址不存在
- 比如设备只有 100 个寄存器，你却要读第 200 个
03（非法数据值）：数值超出范围
- 比如温度设定范围是 0-50 度，你却要设定 100 度
04（从站设备故障）：设备故障
- 设备自己出了硬件故障或者其他问题
6. 应用场景
| 应用领域 | 设备类型 | 主要功能 | 应用优势 |
|---|---|---|---|
| 工业自动化 | PLC（可编程控制器） | 逻辑运算和过程控制 | 开放性和标准化，不同厂商设备无缝集成 |
| 传感器 | 采集温度、压力、流量等现场数据 | 降低系统集成复杂度和成本 | |
| 执行器 | 控制阀门、电机等执行设备动作 | ||
| 变频器 | 调节电机转速，实现精确控制 | ||
| 电力系统 | 智能电表 | 实时采集用电数据，远程抄表和负荷管理 | 实时监控整个电网运行状态 |
| 变压器监控 | 监测运行参数，状态检修和故障预警 | 提高供电可靠性和运行效率 | |
| 开关柜 | 远程操控断路器，快速故障隔离 | ||
| 配电自动化 | 自动调节电压和无功功率，优化供电质量 | ||
| 建筑自动化 | 空调系统 | 根据环境参数和人员情况自动调节温湿度 | 集中监控和智能化管理 |
| 照明系统 | 基于光照度和人员活动实现智能照明控制 | 提高建筑能效和舒适度 | |
| 电梯系统 | 监控运行参数，实现预防性维护 | ||
| 安防系统 | 集成门禁、监控、报警等安防设备 |
7. 总结
经过40多年的发展，Modbus 依然是工业通信领域的重要协议，其优势主要体现在：
协议简单：设计简洁明了，易于理解和实现，降低了开发和维护成本。
稳定可靠：经过长期的工业实践验证，在恶劣环境下表现稳定。
开放标准：协议完全开放，无需授权费用，促进了广泛应用。
兼容性强：几乎所有主流工业设备都支持Modbus，便于系统集成。
成本效益：实现成本低，硬件要求不高，适合各种规模的应用。
Modbus 已经成为工业自动化领域的通用语言，为不同厂商设备之间的互联互通提供了标准化的解决方案。