什麼是協定
在了解什麼是Modbus之前，我們先來看下什麼是協定
協定是一個漢語詞彙，讀音為xié yì，意思是共同計議，協商；經過談判、協商而制定的共同承認、共同遵守的檔案。
簡單地說，在我們的單片機之間互相通信，以及單片機和上位機通信中，規定了不同的内容規範，這個規範是通信的雙方都需要遵守的，這樣就可以實作兩者的通信。
而這個協定規範可以有很多種，來适應不同的裝置以及通信要求等，我們常見的就有IIC SPI UART序列槽通信協定等等。而Modbus也是一個串行通信協定。
什麼是RS-485 RS-232
我們在看Modbus的時候，經常會看到485序列槽，232序列槽，這些是什麼呢？
RS232，RS485是一種電平标準
資料在通信雙方之間傳輸，本質是傳輸實體的電平 比方說傳輸5V的電壓 -1V的電壓信号，這些實體信号在傳輸過程中會受到很多幹擾，比方說你傳輸一個5V的電壓，到了接收端可能就變成了4.8V，并且通信的雙方高低電平的參考電壓可能不同。
那麼這個時候就需要一個電平标準，來判斷多少V的電壓是高電平 1，多少V的電壓是低電平 0 這就誕生了 RS-485 RS-232
RS232：是電子工業協會(Electronic Industries Association，EIA) 制定的異步傳輸标準接口，同時對應着電平标準和通信協定（時序），其電平标準：+3V～+15V對應0，-3V～-15V對應1。
- 全雙工
- 邏輯1：-15V–5V
- 邏輯0：+3V–+15V
RS485：RS485是一種序列槽接口标準，為了長距離傳輸采用差分方式傳輸，傳輸的是差分信号，抗幹擾能力比RS232強很多。兩線壓差為-2~-6V表示0，兩線壓差為+2~+6V表示1
- 半雙工
- 邏輯1：+2V~+6V
- 邏輯0： -2V~ -6V
- 注意485的電平指的是485-A和485-B兩根傳輸線，兩線間的電壓差。而不是傳輸線上的電壓
如果還想繼續了解可以看部落客的這個博文：
USB轉序列槽 TTL RS-232 RS-485 COM口 UART差別
也就是RS-485電平标準确定傳輸過來的資料是0還是1，在此基礎上，這些位元組資料根據modbus通信協定來進行資料的互動傳輸。
硬體層協定：解決0和1的可靠傳輸，常有RS232、RS485、CAN、IIC、SPI …
軟體層協定：解決傳輸目的,常有Modbus、TCP/IP、CANopen …
Modbus協定說明
Modbus誕生于1979年 莫迪康公司 後來被施耐德電氣公司收購。Modbus提供通用語言用于彼此通信的裝置和裝置。
Modbus已經成為工業領域通信協定的業界标準，并且現在是工業電子裝置之間常用的連接配接方式。Modbus作為目前工業領域應用最廣泛的協定
最簡單的說，Modbus就是一個總線通信協定，像IIC SPI這種，但是他不依賴于硬體總線
Modbus之是以使用廣泛，是有他的優點的
- Modbus協定标準開放、公開發表且無版權要求
- Modbus協定支援多種電氣接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，還可以在各種媒體上傳輸，如雙絞線、光纖、紅外、無線等
- Modbus協定消息幀格式簡單、緊湊、通俗易懂。使用者了解和使用簡單，廠商容易開發和內建，友善形成工業控制網絡
舉一個簡單的例子，我們常用的IIC通信協定，需要在實體上連接配接iic總線，然後加上拉電阻，規定好實體層的高低電平。
而 Modbus協定是一種應用層封包傳輸協定，協定本身并沒有定義實體層，定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，不管它們是經過何種網絡進行通信的。 是以能夠适應多種電氣接口，是以使用非常廣泛。
Modebus通信過程
注意Modbus是一主多從的通信協定
Modbus通信中隻有一個裝置可以發送請求。其他從裝置接收主機發送的資料來進行響應，從機是任何外圍裝置，如I/O傳感器，閥門，網絡驅動器，或其他測量類型的裝置。從站處理資訊和使用Modbus将其資料發送給主站。
也就是說,不能Modbus同步進行通信,主機在同一時間内隻能向一個從機發送請求，總線上每次隻有一個資料進行傳輸,即主機發送,從機應答,主機不發送,總線上就沒有資料通信。
從機不會自己發送消息給主站，隻能回複從主機發送的消息請求。
并且，Modbus并沒有忙機制判斷，比方說主機給從機發送指令， 從機沒有收到或者正在處理其他東西，這時候就不能響應主機，因為modbus的總線隻是傳輸資料，沒有其他仲裁機制，是以需要通過軟體的方式來判斷是否正常接收。
舉例
現在，我們來探讨Modbus資料傳輸的方式，可以簡單地了解成打電話。并且是單向通信的打電話
主機發送資料，首先需要從機的電話号碼(區分每個從機，每個位址必須唯一)，告訴從機打電話要幹什麼事情，然後是需要發送的内容，最後再問問從機，我說的話你都聽清楚了沒有呀，沒有聽錯吧？
然後從機這裡，得到了主機打過來的電話，從機回複主機需要的内容，主機得到從機資料，這樣就是一個主機到從機的通信過程
就好比老師和你打電話，老師撥通了你的電話号，然後老師跟你說，小王呀，我這裡需要你給我發東西，發的内容是上周的一周總結，你說好的，然後打開你電腦的檔案夾，把你的周報發給老師，這就是一個通信過程。
Modbus存儲區
既然從機存儲資料，那麼肯定要有一個存儲區，那就需要檔案操作，我們都知道這檔案可以分為隻讀(-r)和讀寫(-wr)兩種類型
并且存儲的資料類型可以分為 ：布爾量 和 16位寄存器
- 布爾量比如IO口的電平高低，燈的開關狀态等。
- 16位寄存器比如 傳感器的溫度資料，存儲的密碼等。
Modbus協定規定了4個存儲區 分别是0 1 3 4區 其中1區和4區是可讀可寫，1區和3區是隻讀。
| 區号 | 名稱 | 讀寫 | 位址範圍 |
| 0區 | 輸出線圈 | 可讀可寫布爾量 | 00001-09999 |
| 1區 | 輸入線圈 | 隻讀布爾量 | 10001-19999 |
| 3區 | 輸入寄存器 | 隻讀寄存器 | 30001-39999 |
| 4區 | 保持寄存器 | 可讀可寫寄存器 | 40001-49999 |
并且Modbus還給每個區都劃分了位址範圍 主機向從機擷取資料時，隻需要告訴從機資料的起始位址，還有擷取多少位元組的資料，從機就可以發送資料給主機
Modbus資料模型規定了具體的位址範圍，每一個從機，都有實際的實體存儲，跟modbus的存儲區相對應，主機讀寫從機的存儲區，實際上就是對從機裝置對應的實際存儲空間進行讀寫。
Modbus協定類型
在上面我們已經說明了Modbus可以在各種媒體上傳輸，那麼他的傳輸模式也分為三種。包括ASCII、RTU(遠端終端控制系統)、TCP三種封包類型
串行端口存在多個版本的Modbus協定，而最常見的是下面四種：
- Modbus-Rtu
- Modbus-Ascii
- Modbus-Tcp
- ModbusPlus
Modbus RTU是一種緊湊的，十六進制表示資料的方式，Modbus ASCII是一種采用Ascii碼表示資料，并且每個8Bit 位元組都作為兩個ASCII字元發送的表示方式。
RTU格式後續的指令/資料帶有循環備援校驗的校驗和，而ASCII格式采用縱向備援校驗的校驗和。
Modbus協定使用序列槽傳輸時可以選擇RTU或ASCII模式，并規定了消息、資料結構、指令和應答方式并需要對資料進行校驗。ASCII 模式采用LRC校驗，RTU模式采用16 位CRC校驗。通過以太網傳輸時使用TCP，這種模式不使用校驗，因為TCP協定是一個面向連接配接的可靠協定。
當然常用的就是RTU模式，ASCII一般很少
舉一個簡單的例子，如果我們需要發送一個數字10 那麼RTU模式下，隻需要發送 0x0A 總線上傳輸資料形式為： 0000 1010
而ASCII碼模式則将資料1和0轉為’1’和’0’,需要發送0x31(1) 0x30(0)兩個位元組資料。總線上傳輸資料形式為： 0011 0001 0011 0000
詳細的我們等下再闡述
Modbus-RTU協定
Modbus封包幀結構
一個封包就是一幀資料，一個資料幀就一個封包： 指的是一串完整的指令資料，本質就是一串資料。
Modbus封包是指主機發送給從機的一幀資料，其中包含着從機的位址，主機想執行的操作，校驗碼等内容
Modbus協定在串行鍊路上的封包格式如下所示：
| 從站位址 | 功能碼 | 資料 | CRC/LRC |
| 1 byte | 1 byte | N bytes | 2 bytes |
幀結構 = 從機位址 + 功能嗎 + 資料 + 校驗
- 從機位址: 每個從機都有唯一位址，占用一個位元組,範圍0-255,其中有效範圍是1-247,其中255是廣播位址(廣播就是對所有從機發送應答)
- 功能碼: 占用一個位元組,功能碼的意義就是,知道這個指令是幹啥的,比如你可以查詢從機的資料,也可以修改從機的資料,是以不同功能碼對應不同功能.
- 資料: 根據功能碼不同,有不同功能，比方說功能碼是查詢從機的資料，這裡就是查詢資料的位址和查詢位元組數等。
- 校驗: 在資料傳輸過程中可能資料會發生錯誤，CRC檢驗檢測接收的資料是否正确
Modbus功能碼
Modbus規定了多個功能，那麼為了友善的使用這些功能，我們給每個功能都設定一個功能碼，也就是指代碼。
Modbus協定同時規定了二十幾種功能碼，但是常用的隻有8種，用于對存儲區的讀寫，如下表所示：
| 功能碼 | 功能說明 |
| 01H | 讀取輸出線圈 |
| 02H | 讀取輸入線圈 |
| 03H | 讀取保持寄存器 |
| 04H | 讀取輸入寄存器 |
| 05H | 寫入單線圈 |
| 06H | 寫入單寄存器 |
| 0FH | 寫入多線圈 |
| 10H | 寫入多寄存器 |
當然我們用的最多的就是03和06 一個是讀取資料，一個是修改資料。
CRC校驗
錯誤校驗（CRC）域占用兩個位元組包含了一個16位的二進制值。CRC值由傳輸裝置計算出來，然後附加到資料幀上，接收裝置在接收資料時重新計算CRC值，然後與接收到的CRC域中的值進行比較，如果這兩個值不相等，就發生了錯誤。
比如主機發出01 06 00 01 00 17 98 04， 98 04 兩個位元組是校驗位，那麼從機接收到後要根據01 06 00 01 00 17 再計算CRC校驗值，從機判斷自己計算出來的CRC校驗是否與接收的CRC校驗（98 04主機計算的）相等，如果不相等那麼說明資料傳輸有錯誤，這些資料就不能要。
CRC校驗流程：
1、預置一個16位寄存器為0FFFFH（全1），稱之為CRC寄存器。
2 、把資料幀中的第一個位元組的8位與CRC寄存器中的低位元組進行異或運算，結果存回CRC寄存器。
3、将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并檢測。
4 、如果最低位為0：重複第三步（下一次移位）；如果最低位為1：将CRC寄存器與一個預設的固定值（0A001H）進行異或運算。
5、重複第三步和第四步直到8次移位。這樣處理完了一個完整的八位。
6 、重複第2步到第5步來處理下一個八位，直到所有的位元組處理結束。
7、最終CRC寄存器的值就是CRC的值。
此外還有一種利用預設的表格計算CRC的方法，它的主要特點是計算速度快，但是表格需要較大的存儲空間，該方法此處不在闡述
下面我們來看詳細的發送和接收資料：
1、主機對從機讀資料操作
主機發送封包格式如下：
| 從站位址 | 功能碼 | 起始（高） | 起始（低） | 數量（高） | 數量（低） | 校驗 |
| 0x01 | 0x03 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x01 | 0xD5 0xCA |
含義：
0x01：從機的位址
0x03：查詢功能，讀取從機寄存器的資料
0x00 0x01： 代表讀取的起始寄存器位址.說明從0x0001開始讀取.
0x00 0x01： 查詢的寄存器數量為0x0001個 Modbus把資料存放在寄存器中,通過查詢寄存器來得到不同變量的值,一個寄存器位址對應2位元組資料; 寄存器位址對應着從機實際的存儲位址
0xD5 0xCA： 循環備援校驗 CRC
從機回複封包格式如下：
| 從站位址 | 功能碼 | 位元組計數 | 位元組1 |位元組2 | 校驗 |
|–|–|-|-|-|-|-|
| 0x01 | 0x03| 0x02| 0x01 | 0x00| 0x17| 0xF8 0x4A |
含義：
0x01：從機的位址
0x03：查詢功能，讀取從機寄存器的資料
0x02： 傳回位元組數為2個 一個寄存器2個位元組
0x00 0x17：寄存器的值是0017
0xF8 0x4A： 循環備援校驗 CRC
2、主機對從機寫資料操作
主機發送封包格式如下：
| 從站位址 | 功能碼 | 資料位址（高） | 資料位址（低） | 資料（高） | 資料（低） | 校驗 |
| 0x01 | 0x06 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x17 | 0x98 0x04 |
含義：
0x01：從機的位址
0x06：修改功能，修改從機寄存器的資料
0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器位址.說明修改0x0000-0x0001的存儲内容
0x00 0x17： 要修改的資料值為0017
0x98 0x04： 循環備援校驗 CRC
從機回複封包格式如下：
| 從站位址 | 功能碼 | 資料位址（高） | 資料位址（低） | 資料（高） | 資料（低） | 校驗 |
| 0x01 | 0x06 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x17 | 0x98 0x04 |
含義：
0x01：從機的位址
0x06：修改功能，修改從機寄存器的資料
0x00 0x01： 代表修改的起始寄存器位址.說明是0x0000
0x00 0x17：修改的值為0017
0x98 0x04： 循環備援校驗 CRC
從機的回複和主機的發送是一樣的，如果不一樣說明出現了錯誤
Modbus-ACSII協定
在消息中的每個位元組都作為兩個ASCII字元發送
十六進制的0-F 分别對應ASCII字元的0…9，A…F
也就是0x30~0x3A 0x41~0x46
下方是ascii的封包幀
- 1個位元組起始位
- 2個位元組位址位
- 2個位元組功能位
- n個資料位，最小的有效位先發送
- LRC(縱向冗長檢測) 注意校驗方式不同
- 結束符 \r \n
可以看到資料部分更加繁瑣，正常我們使用都是用RTU格式，ASCII碼格式有了解即可。
總結：
ModbusASCII有開始字元(和結束字元(CR LF)，可以作為一幀資料開始和結束的标志，而ModbusRTU沒有這樣的标志，需要用時間間隔來判斷一幀封包的開始和結束，協定規定的時間為3.5個字元周期，就是說一幀封包開始前，必須有大于3.5個字元周期的空閑時間，一幀封包結束後，也必須要有3.5個字元周期的空閑時間否則就會出現粘包的情況。
注意：針對3.5個字元周期，其實是一個具體時間，但是這個時間跟波特率相關。
在序列槽通信中，1個字元包括1位起始位、8位資料位（一般情況）、1位校驗位（或者沒有）、1位停止位（一般情況下），是以1個字元包括11個位，那麼3.5個字元就是38.5個位，波特率表示的含義是每秒傳輸的二進制位的個位，是以如果是9600波特率，3.5個字元周期=/960038.5=0.00401s1000=4.01ms
Modbus-TCP協定
我們首先看下Modbus-TCP和Modbus-ACSII的差別
Modbus-TCP并不需要從從機位址，而是需要MBAP封包頭
并且不需要差錯校驗，因為TCP本身就具有校驗差錯的能力
MBAP封包頭格式如下：
其中事務處理表示符合協定辨別符我們正常使用設定為0即可 長度為6個位元組 0x0006
簡單來說，也就是Modbus-TCP是在Modbus-ACSII的基礎上，去掉校驗，然後加上五個位元組的0和一個06
最後附上 Modbus标準協定手冊連結
Modbus标準協定手冊