Modbus协议是一种广泛应用于工业自动化领域的串行通信协议，由Modicon公司（现施耐德电气）于1979年开发，主要用于可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。该协议采用主从架构，支持单主多从通信模式，最多可连接247个从设备，已成为工业通信的实际标准。

核心特点

主从架构：Modbus采用请求-响应模式，主设备（Master）主动发起通信请求，从设备（Slave）被动响应。这种设计确保了通信的有序性，避免了多设备并发冲突。

开放标准：协议完全开源免费，无专利和版权限制，支持跨品牌设备互联，兼容性极强。

多传输方式：支持RS-232、RS-485串行通信（Modbus RTU/ASCII）和以太网TCP/IP通信（Modbus TCP），适应不同应用场景。

数据类型与功能码

Modbus定义了四种核心数据类型：

常用功能码包括：0x01（读线圈）、0x02（读离散输入）、0x03（读保持寄存器）、0x04（读输入寄存器）、0x05（写单个线圈）、0x06（写单个寄存器）、0x0F（写多个线圈）、0x10（写多个寄存器）。

协议帧结构

Modbus RTU帧格式：

[从站地址][功能码][数据][CRC校验]

• 从站地址：1字节，标识目标设备（1-247）
• 功能码：1字节，指定操作类型
• 数据：变长，包含参数或返回数据
• CRC校验：2字节，循环冗余校验，确保数据完整性

Modbus TCP帧格式：

[MBAP头][从站地址][功能码][数据]

MBAP头包含事务标识符、协议标识符和长度字段，利用TCP/IP协议栈的可靠性机制，无需CRC校验。

应用场景

Modbus协议广泛应用于：

• 工业自动化：PLC控制电机启停、读取传感器数据
• 能源管理：电表数据采集、能源监控系统
• 楼宇自控：HVAC系统监控、照明控制
• 智能仪表：水表、燃气表数据抄表
• 物联网边缘节点：设备数据上传至云平台

优势与局限性

优势：

• 协议简单易实现，代码量小（RTU模式仅需2KB Flash）
• 抗干扰能力强，CRC-16校验检错率超99.99%
• 跨平台兼容性好，支持不同品牌设备互联
• 硬件成本低，适合资源受限的单片机系统

局限性：

• 无内置加密机制，安全性不足
• 传输速率相对较低（RTU模式波特率一般不超过19200bps）
• 不支持设备主动上报数据，需主设备轮询

开发与调试

常用开发工具包括Modbus Poll（主站模拟）、Modbus Slave（从站模拟）、Wireshark（网络协议分析）等。开源库如libmodbus（C/C++）、pymodbus（Python）提供了完整的协议实现。

Modbus协议凭借其简单、可靠、开放的特性，历经40余年发展仍保持旺盛生命力，在工业自动化、物联网等领域持续发挥重大作用。