目录
一、初识Modbus：工业通信的基石
1.1 协议全称
- 中文全名：莫迪康总线协议（音译）
- 英文全名：Modbus Protocol
1.2 协议简史
1979年由Modicon公司（现施耐德电气）专为其PLC设备设计，凭借其开放性与简单性，逐步成为工业通信领域的事实标准。2018年发布的Modbus Secure通过TLS加密（RFC 8096）弥补了安全性短板。
二、核心特性解析
2.1 架构设计
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 主从模式 | 单主站控制多个从站（最多247个地址） |
| 四类存储区 | 线圈(Coils)、离散输入、保持寄存器、输入寄存器（地址映射规则见4.3节） |
| 跨层兼容 | 支持RS-485、以太网等多种物理介质 |
2.2 典型应用场景
- PLC设备互联（如西门子S7-1200与温控器通信）
- SCADA系统数据采集（电力监控、水处理系统）
- 智能电表远程读数（Modbus RTU over RS-485）
三、协议族全景图
3.1 协议栈分类
3.2 版本演进对比
| 变种 | 传输介质 | 编码方式 | 典型延迟 | 应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| Modbus RTU | RS-485 | 二进制 | <10ms | 工厂设备本地通信 |
| Modbus ASCII | RS-232 | ASCII文本 | 20-50ms | 老旧设备兼容 |
| Modbus TCP | 以太网 | TCP/IP | 1-100ms | 跨区域设备联网 |
| Modbus Secure | TLS over TCP | 加密传输 | 100-200ms | 关键基础设施 |
四、协议报文深度解析
4.1 Modbus RTU帧结构
// 典型读保持寄存器请求（从站地址0x01）
0x01 0x03 0x00 0x6B 0x00 0x03 0x76 0x87| 字段 | 字节数 | 示例值 | 说明 |
|---|---|---|---|
| Slave Address | 1 | 0x01 | 从站设备ID |
| Function Code | 1 | 0x03 | 读保持寄存器操作 |
| Start Address | 2 | 0x006B | 起始地址108（400109） |
| Quantity | 2 | 0x0003 | 读取3个寄存器 |
| CRC | 2 | 0x7687 | 校验码 |
4.2 Modbus TCP报文
# Python示例：构造Modbus TCP请求头
transaction_id = 0x0001
protocol_id = 0x0000
length = 0x0006
unit_id = 0xFF
header = struct.pack('>HHHBB', transaction_id, protocol_id, length, unit_id, 0x03)五、通信机制实战剖析
5.1 主从通信时序
Title: Modbus通信流程
Master->Slave: 请求帧（功能码+地址）
Note right of Slave: 地址校验→执行操作
Slave-->Master: 成功响应（数据帧）
Slave-->Master: 异常响应（功能码+0x80）5.2 核心功能码速查表
| 功能码 | 名称 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| 0x01 | 读线圈状态 | 读取继电器输出状态 |
| 0x03 | 读保持寄存器 | 获取PLC配置参数（如波特率） |
| 0x05 | 写单个线圈 | 远程控制电磁阀启停 |
| 0x10 | 写多个保持寄存器 | 批量更新设备参数 |
六、开发资源与扩展阅读
6.1 工具推荐
- 调试工具：Modbus Poll、QModMaster
- 协议分析：Wireshark（Modbus dissector插件）
- 开发库：libmodbus（C/C++）、pymodbus（Python）
6.2 进阶学习路径
- 协议安全：学习《Modbus Secure Implementation Guide》
- 性能优化：研究报文压缩与批量读写技巧
- 工业物联网：探索Modbus与MQTT的协议转换网关
七、总结与展望
Modbus作为工业通信的"活化石"，其极简设计哲学（整个规范仅84页）与硬件低门槛特性，使其在工业4.0时代仍保持旺盛生命力。随着TSN（时间敏感网络）等新技术的发展，Modbus over TSN等新形态正在孕育，继续书写工业通信协议的传奇。
资源下载：Modbus协议样本数据包
GitHub - jayateertha043/ModbusSamples: Sample PCAP files for Modbus
参考文献：
[1] Modbus Application Protocol Specification v1.1b3
[2] RFC 8096: Modbus Secure
[3] 《Industrial Communication Protocols》Shuang-Hua Yang 著