Modbus学习笔记

一 .线圈

1. 基本概念

线圈是一个bool值，通常表示0是关闭1是开启，也可以理解它是二进制状态（0 或 1）

在实际应用场景中，线圈可以对应某个物理设备的启动或停止开关

2. 线圈地址
   线圈在Modbus通信中的地址编号通常从1开始，称为线圈地址

3. 输入线圈和输出线圈的区别

输入线圈只能被读取，不能写入或修改
输出线圈既可以读取也可以写入

输入线圈通常用来获取设备的状态，例如获取一个按钮的当前状态（按下或未按下）、获取一个传感器的二进制输出状态（检测到物体或未检测到物体）

输出线圈通常用来控制设备的状态，例如给设备设置一个输出线圈，用来启动一个阀门或关闭阀门

二、寄存器

1. 基本概念
   寄存器的数据类型是16 位无符号整数（2 字节），但可以组合多个寄存器来存储更大的数据类型，适合存储复杂数据

2. 保持寄存器和输入寄存器的区别

数据存储与用途
保持寄存器: 存储可以被外部修改的数据，通常是设备控制和参数设定。例如，设置一个设备的工作频率或设定温度值。

输入寄存器: 存储传感器或内部状态数据，这些数据是只读的，通常表示测量值或当前设备的状态。

应用场景示例：

• 保持寄存器: 一个泵系统的控制设备中，您可以通过保持寄存器修改泵的流量设定值或电机的速度设定。
• 输入寄存器: 一个温度传感器设备中，您可以通过输入寄存器读取当前的温度读数。

三、modbus整体工作原理

Modbus 是一种广泛应用的通信协议，通常用于工业自动化系统中设备之间的数据传输。它采用主从架构，支持多种物理接口（如 Modbus TCP/IP、Modbus RTU 和 Modbus ASCII），其中 Modbus TCP/IP 是基于以太网的变种。

Modbus 协议的核心工作原理包括以下几个方面：

• 主从架构
  主设备（Master）: 主设备是发起通信的实体，负责向从设备发送请求，指示读取或写入数据。主设备控制所有的通信活动。
  从设备（Slave）: 从设备是响应主设备请求的实体，通常是传感器、执行器或控制器。从设备不主动发起通信，只在收到请求后做出回应。
  在一个网络中，通常只有一个主设备和多个从设备。

• 数据通信
  请求-响应模型: 主设备发送请求，从设备在接收到请求后根据要求执行相应操作，并返回响应。整个通信过程依赖于这个请求-响应机制。
  唯一标识: 每个从设备都有一个唯一的地址编号，主设备通过该编号发送指令到具体的从设备。
  数据帧: 通信通过数据帧进行传输，数据帧包含地址、功能码、数据和错误校验码。

• 数据帧结构
  Modbus 的数据帧格式由以下部分组成：
  从设备地址: 表示要通信的从设备的唯一标识。
  功能码: 指示主设备希望从设备执行的操作，例如读取寄存器或写入寄存器。常见功能码包括：

• 01 读取线圈状态

• 02 读取离散输入

• 03 读取保持寄存器

• 04 读取输入寄存器

• 05 写单个线圈

• 06 写单个保持寄存器

  数据域: 包含具体的操作数据。例如，若请求读取多个寄存器，数据域中将包含要读取的起始寄存器地址及寄存器数量。
  错误校验码: 用于确保数据帧在传输过程中没有错误（如 CRC 校验码）。

4. 功能码与数据交互
   Modbus 协议定义了一系列功能码，用于不同类型的数据交互：
   读操作: 主设备可以通过功能码读取从设备的各种寄存器和输入状态。例如，读取保持寄存器（功能码 03）或输入寄存器（功能码 04）。
   写操作: 主设备可以通过功能码向从设备写入数据，例如写入单个保持寄存器（功能码 06）或写多个寄存器（功能码 16）。

5. 常见的寄存器类型
   Modbus 协议中定义了不同类型的寄存器，主设备通过这些寄存器与从设备通信：
   线圈（Coils）: 1 位数据，表示开/关状态，常用于控制设备的开关操作（可读写）。
   离散输入（Discrete Inputs）: 1 位数据，表示设备的输入状态，如按钮状态（只读）。
   保持寄存器（Holding Registers）: 16 位数据，常用于存储设备的可读写参数或配置值。
   输入寄存器（Input Registers）: 16 位数据，表示设备测量值或状态（只读）。

6. Modbus 工作流程
   步骤 1: 主设备发起请求：主设备通过网络发送请求帧，指定从设备地址、功能码、寄存器地址以及要执行的操作（如读取寄存器、写入寄存器等）。
   步骤 2: 从设备响应请求：收到请求后，从设备执行主设备要求的操作，返回包含请求结果的响应帧。如果有错误（如无效的功能码或寄存器地址），从设备将返回错误码。
   步骤 3: 错误处理：主设备接收到响应后，检查是否有错误发生，并处理响应数据。如果有错误或没有收到响应，则可以重试或执行错误处理。

7. Modbus 通信示例
   假设主设备希望读取从设备的温度值，存储在从设备的输入寄存器中：
   请求: 主设备发送一个请求帧，使用功能码 04（读取输入寄存器），指定要读取的寄存器地址（例如地址 0）。
   响应: 从设备返回一个响应帧，包含温度值的具体数据。

8. Modbus TCP/IP 传输层
   在 Modbus TCP/IP 协议中，Modbus 消息被封装在 TCP/IP 包中，通过以太网进行传输。主要特点是：
   无需设备地址：因为通过 IP 地址标识目标设备，因此不需要传统的从设备地址。
   更高的速度和带宽：基于以太网的 TCP/IP 网络比传统的串行 Modbus RTU 提供更快的传输速度和更大的带宽。
   Modbus 整体结构图：

主设备（Master） ←→ TCP/IP网络 ←→ 从设备1（Slave） 
                                ←→ 从设备2（Slave）
                                ←→ 从设备3（Slave）

主设备通过网络向多个从设备发送请求，从设备根据功能码返回响应。

9. Modbus 的应用场景
   Modbus 通常用于以下场景：

工业自动化中的设备监控与控制（例如，PLC 与传感器或执行器的通信）。
智能电网、能源管理系统中，读取电表数据或监控设备状态。
大型机械设备或工厂中的过程监控和控制。

最后总结所有功能码