Modbus RTU/TCP 原理与生态

协议简介

Modbus 是 1979 年由 Modicon 公司发布的工业通信协议，是目前工业自动化领域使用最广泛的串行通信协议之一。其简单性、开放性和可靠性使其在 40 余年后仍是工业现场的主流选择。

Modbus 协议族：
├── Modbus RTU    → 串行通信（RS-232/RS-485），二进制编码，最常用
├── Modbus ASCII  → 串行通信，ASCII 编码，可读性好但效率低
├── Modbus TCP    → 基于 TCP/IP，端口 502，工业以太网
└── Modbus Plus   → Modicon 专有，已基本淘汰

网络拓扑

Modbus RTU（RS-485 总线）

主站 (Master)
    │
    ├── RS-485 总线（最长 1200m，最多 32 个节点）
    │
    ├── 从站 01：变频器
    ├── 从站 02：PLC
    ├── 从站 03：电表
    ├── 从站 04：温控仪
    └── 从站 05：BMS

接线规范：
- A(+) 和 B(-) 差分信号线
- 总线两端各接 120Ω 终端电阻
- 屏蔽层单端接地（主站侧）
- 线缆：双绞屏蔽线，推荐 RVSP 0.5mm²

Modbus TCP（工业以太网）

SCADA 服务器 (Master)
    │
    ├── 工业以太网交换机
    │
    ├── 变频器（IP: 192.168.1.11, Port: 502）
    ├── PLC（IP: 192.168.1.12, Port: 502）
    └── 智能电表（IP: 192.168.1.13, Port: 502）

帧结构

Modbus RTU 帧

┌──────────┬──────────┬──────────┬──────────────────┬──────────┐
│ 从站地址  │ 功能码   │  数据域  │      数据        │  CRC     │
│  1 byte  │  1 byte  │  N bytes │                  │  2 bytes │
└──────────┴──────────┴──────────┴──────────────────┴──────────┘

示例：读取从站 01 的保持寄存器 40001-40010
请求帧：01 03 00 00 00 0A C5 CD
         │  │  │     │     │  └─ CRC 低字节
         │  │  │     │     └─── CRC 高字节
         │  │  │     └───────── 读取数量：10 个寄存器
         │  │  └─────────────── 起始地址：0x0000（对应 40001）
         │  └────────────────── 功能码：03（读保持寄存器）
         └───────────────────── 从站地址：01

响应帧：01 03 14 00 01 00 02 ... CRC
         │  │  │  └─────────── 数据（10个寄存器 = 20字节）
         │  │  └────────────── 字节数：20（0x14）
         │  └───────────────── 功能码：03
         └──────────────────── 从站地址：01

Modbus TCP 帧（MBAP Header）

┌──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────────────┐
│ 事务标识符│ 协议标识符│  长度    │ 单元标识符│ 功能码   │  数据            │
│  2 bytes │  2 bytes │  2 bytes │  1 byte  │  1 byte  │  N bytes         │
└──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────────────┘

事务标识符：请求/响应匹配（客户端递增）
协议标识符：固定 0x0000（Modbus 协议）
长度：后续字节数（单元标识符 + PDU）
单元标识符：从站地址（TCP 直连时通常为 0xFF 或 0x01）

功能码详解

功能码	名称	操作	数据类型
0x01	Read Coils	读	线圈（位，可读写）
0x02	Read Discrete Inputs	读	离散输入（位，只读）
0x03	Read Holding Registers	读	保持寄存器（16位，可读写）
0x04	Read Input Registers	读	输入寄存器（16位，只读）
0x05	Write Single Coil	写	单个线圈
0x06	Write Single Register	写	单个保持寄存器
0x0F	Write Multiple Coils	写	多个线圈
0x10	Write Multiple Registers	写	多个保持寄存器
0x16	Mask Write Register	写	寄存器位掩码操作
0x17	Read/Write Multiple Registers	读写	同时读写

寄存器地址映射

Modbus 地址空间：

线圈（Coil）：         00001 - 09999  → 功能码 01/05/0F
离散输入（DI）：       10001 - 19999  → 功能码 02
输入寄存器（IR）：     30001 - 39999  → 功能码 04
保持寄存器（HR）：     40001 - 49999  → 功能码 03/06/10

注意：协议地址 = 寄存器地址 - 1（偏移量）
例：读取 40001 → 功能码 03，起始地址 0x0000
    读取 40100 → 功能码 03，起始地址 0x0063

数据类型编码

import struct

# 16位无符号整数（单寄存器）
def decode_uint16(registers, index=0):
    return registers[index]

# 16位有符号整数
def decode_int16(registers, index=0):
    value = registers[index]
    return value if value < 32768 else value - 65536

# 32位浮点数（两个寄存器，大端序）
def decode_float32_be(registers, index=0):
    raw = struct.pack('>HH', registers[index], registers[index+1])
    return struct.unpack('>f', raw)[0]

# 32位浮点数（两个寄存器，小端序 - 部分设备使用）
def decode_float32_le(registers, index=0):
    raw = struct.pack('>HH', registers[index+1], registers[index])
    return struct.unpack('>f', raw)[0]

# 32位无符号整数
def decode_uint32_be(registers, index=0):
    return (registers[index] << 16) | registers[index+1]

# 字符串（ASCII）
def decode_string(registers, length):
    raw = b''
    for reg in registers[:length//2]:
        raw += struct.pack('>H', reg)
    return raw.decode('ascii').rstrip('\x00')

Python 实现示例

pymodbus 库

from pymodbus.client import ModbusTcpClient, ModbusSerialClient
from pymodbus.exceptions import ModbusException
import logging

# Modbus TCP 客户端
def read_bms_data_tcp(host: str, port: int = 502, unit_id: int = 1):
    client = ModbusTcpClient(host=host, port=port, timeout=3)

    try:
        if not client.connect():
            raise ConnectionError(f"Cannot connect to {host}:{port}")

        # 读取 BMS 数据（假设寄存器映射）
        # 40001-40010: 电芯电压（0.1mV 精度）
        result = client.read_holding_registers(
            address=0,      # 40001 → 地址 0
            count=10,
            slave=unit_id
        )

        if result.isError():
            raise ModbusException(f"Read error: {result}")

        voltages = [reg * 0.1 for reg in result.registers]  # 转换为 mV
        return voltages

    finally:
        client.close()

# Modbus RTU 客户端
def read_meter_data_rtu(port: str = '/dev/ttyS1', unit_id: int = 1):
    client = ModbusSerialClient(
        port=port,
        baudrate=9600,
        bytesize=8,
        parity='N',
        stopbits=1,
        timeout=1
    )

    try:
        client.connect()

        # 读取电表数据
        result = client.read_input_registers(
            address=0,
            count=4,
            slave=unit_id
        )

        if result.isError():
            return None

        voltage = decode_float32_be(result.registers, 0)
        current = decode_float32_be(result.registers, 2)
        return {"voltage": voltage, "current": current}

    finally:
        client.close()

生态工具

调试工具：
├── Modbus Poll      → Windows GUI 主站模拟器
├── Modbus Slave     → Windows GUI 从站模拟器
├── ModRSsim2        → 免费从站模拟器
├── QModMaster       → 跨平台开源工具
└── Wireshark        → 抓包分析（Modbus TCP）

开发库：
├── Python: pymodbus, minimalmodbus
├── Java:   j2mod, jamod
├── C/C++:  libmodbus
├── Go:     goburrow/modbus
└── .NET:   NModbus4, EasyModbus

网关/转换器：
├── Neuron           → 工业协议网关（支持 MQTT 桥接）
├── Kepware          → 商业 OPC 服务器
├── Node-RED         → node-red-contrib-modbus
└── Ignition         → 工业 SCADA 平台