Modbus底层原理分析

概要

1979年，由美国莫迪康公司发明了Modbus通信协议，主要是用来实现控制器之间的通信。本次我将给大家分享一些自己的学习心得。我将会从以下三个方面来分享

1. 基础知识介绍

2. 底层原理分析

3. ModbusRTU为什么要使用十六进制通信

基础知识介绍

首先，我们在实际工作中，我们调试ModbusRTU通信协议时，有四大要素：从站地址、功能码、数据、校验信息。其次我们在深入学习中也需要了解存储区，功能码，协议分类、以及报文（Tx，Rx）。

底层原理分析

现在我们来介绍一下底层的存储区、功能码。

一. 存储区

存储区可以理解成我们电脑中的内存，我们都知道计算机中的内存用途主要是通过CPU读取内存进行程序执行以及数据存储。那么Modbus中的存储区是专用于工业通信的数据交换地。计算机内存中使用过指针、变量名直接访问，Modbus中是通过功能码＋地址读写。其中，最与众不同的地方在于存储区是有结构的，通常为四类，而且四类有专属编号：

1. 0区 输出线圈
2. 1区 输入线圈
3. 4区 输出寄存器
4. 3区 输入寄存器

除此之外，每类还有自己存储范围，在介绍存储范围之前，有个概念先帮助大家理解清楚。在线圈中有65536位（bit/线圈），在其存储中相当于有65536个开关，所以你可以叫他存储布尔值类型。在寄存器中有65536个寄存单元。每个单元有16位，存储的是字节，不存（0/1），两者看似相同，实则不同。在存储范围中，又有两种存储地址

第一种：长地址模型（理想存储地范围【0 ~ 65535】）

1. 0区：000001 - 065536
2. 1区：100001 - 165536
3. 3区：300001 - 365536
4. 4区：400001 - 465536

第二种：短地址模型（理想存储地范围【0 ~ 9998】）

1. 0区：00001 - 09999
2. 1区：10001 - 19999
3. 3区：30001 - 39999
4. 4区：40001 - 49999

我知道大家看到这里对于这个就蒙圈了，别着急，是因为这些地址都是人为赋予的，只是为了区分他们的编号，假设我们使用的是长模型，000001就是属于0区，100001就是属于1区，如此划分目的就是为了人类能分得清。地址=【x区】0000 + 1（位的索引号）+ 偏移量，这就是底层规则。那么短地址模型原理和长地址模型一致。

二. 功能码

功能码在存储区的概念种又进行了细分，有专属于自己的十六进制编号

读取：

1. 读取输出线圈 0X01
2. 读取输入线圈 0X02
3. 读取输入寄存器 0X04
4. 读取输出寄存器 0X03

写入：

1. 写入输出线圈
   1. 写入单个线圈 0X05
   2. 写入多个线圈 0X0F
2. 写入输出寄存器
   1. 写入单个寄存器 0X06
   2. 写入多个寄存器 0X10

为了方便记忆，我画了一个盒模型（外层是读取，里层是写入），写入只能写输出类线圈，输入里线圈是无法写入的，以下盒模型的里层，应该是放在右边的，作者由于太懒就不重画了，大家理解一下

为什么ModbusRTU使用十六进制通信

假设我们有个值是55，需要主站到从站读取，我们来看看如果是二进制，十进制会发生什么

1. 二进制，55的二进制=110111，虽然机器可以读取，但人为调试中，数字多，需换算，且一旦数错一位，整个数据都会乱。对于需要快速检查数据的工程师来说是灾难。
2. 十进制，RTU通信的时候，是怎么翻译数据的，当又一个55的数据过来，此时会先把55分成两个字符串的5，计算机去查 ASCII 码表，在翻译组装成55，占了两个字节，如果是三位数就更占用空间，效率低下。
3. 十六进制完美解决这个问题，虽然底层跑的是00110111，但是记作37(Hex) ，3对应0011，7对应0111，这样不仅人为不繁琐，且通信时也无需中转，十进制和二进制的弊端都可解决。

小结

本期主要给大家介绍了ModBus的基础知识，以及底层原理分析，下一期会给大家介绍ModbusTcp的一些相关知识，以及可能会结合实战分享，谢谢大家。