modbus總線有三種協(xié)議：modbus rtu協(xié)議、modbus ascii協(xié)議和modbus tcp協(xié)議，modbus總線活躍在工業(yè)通信領(lǐng)域。modbus rtu和modbus ascii擅長串行通信，比如基于rs485或者rs232的通信，而modbus tcp則擅長基于以太網(wǎng)的通信。由于底層所使用的結(jié)構(gòu)不同，modbus的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(application data unit，adu)有所不同。你可能并去清楚什么是adu，昌暉儀表下面來詳細介紹。
為了進行通信，modbus規(guī)定了一種很簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，被稱為“協(xié)議數(shù)據(jù)單元”(protocol data unit，pdu)。協(xié)議數(shù)據(jù)單元由功能碼+數(shù)據(jù)構(gòu)成，如下面這張圖：
功能碼的長度為1個字節(jié)，它表示要執(zhí)行的功能。比如常見的：01讀取線圈；02讀取離散量輸入值；03讀取保持寄存器值；05寫單個線圈等；數(shù)據(jù)部分的長度為0-252個字節(jié)，它表示要讀的地址或者要寫入的值，不同的功能碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)有所不同。比如01功能碼，其數(shù)據(jù)為4個字節(jié)，其中前兩個字節(jié)表示要讀取的線圈的地址，后兩個字節(jié)表示要讀取線圈的數(shù)量；而對于05功能碼，其數(shù)據(jù)也是4個字節(jié)，前兩個字節(jié)表示要寫入線圈的地址，后面兩字節(jié)表示要寫入的值。
協(xié)議數(shù)據(jù)單元有三種類型：請求型協(xié)議數(shù)據(jù)單元(request pdu）、應(yīng)答型協(xié)議數(shù)據(jù)單元(response pdu)、及異常應(yīng)答型協(xié)議數(shù)據(jù)單元(exception response pdu)，更多關(guān)于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的內(nèi)容，大家可以去modbus官網(wǎng)()下載通信規(guī)范好好閱讀。
協(xié)議數(shù)據(jù)單元是modbus的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它與底層物理結(jié)構(gòu)無關(guān)，modbus rtu、modbus ascii和modbus tcp都使用相同的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。但是，modbus在通信的時候，總要依賴物理網(wǎng)絡(luò)。因此要把協(xié)議數(shù)據(jù)單元映射到物理網(wǎng)絡(luò)上，這就形成了應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(application data unit，adu)。由于底層網(wǎng)絡(luò)的不同，modbus tcp跟modbus rtu和modbus ascii的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元是不同的，modbus rtu和modbus ascii的adu結(jié)構(gòu)如下圖所示：
而modbus tcp的adu結(jié)構(gòu)如下：
可以看到，modbus tcp的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元是在協(xié)議數(shù)據(jù)單元的基礎(chǔ)上，添加了一個叫做“mbap頭(mbap header)”的結(jié)構(gòu)。mbap是英文“modbus aplication”的縮寫，即“應(yīng)用數(shù)據(jù)單元”的意思。
mbap頭結(jié)構(gòu)由7個字節(jié)構(gòu)成，如下表所示：
其中：
◆傳輸標識符：用于標識應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，即請求和應(yīng)答之間的配對；客戶端對該部分進行初始化，服務(wù)器端將其拷貝到自己的adu中；
◆協(xié)議標識符：系統(tǒng)間的協(xié)議標識，0=modbus；
◆長度：接下來要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，即：單元標識符+pdu的總長度，以字節(jié)為單位；
◆單元標識符：用于系統(tǒng)間的站尋址，比如在以太網(wǎng)+串行鏈路的網(wǎng)絡(luò)中，遠程站的地址；
這就是modbus tcp的adu結(jié)構(gòu)，即：mbap頭+pdu，是不是很簡單呢？modbus tcp的數(shù)據(jù)傳輸采用的是一種被稱為“客戶端/服務(wù)器”的模式，這也是上面的表格中會出現(xiàn)客戶端/服務(wù)器功能描述的原因。其實，很多網(wǎng)絡(luò)通信都采用的這種方式，比如大名鼎鼎的西門子的s7通信協(xié)議。在串行鏈路中，這種方式也稱為主-從通信。
說道這里，大家可能會有一個疑惑。因為modbus在網(wǎng)絡(luò)通信中，通常需要寫明ip地址和端口號，為什么modbus tcp的adu中沒有相關(guān)的內(nèi)容呢？
哈哈，其實這是因為modbus tcp是一個應(yīng)用層的協(xié)議，而你說的ip地址和端口號屬于傳輸層/網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議。還沒明白，好吧，看看這張圖：
你看，在邏輯上modbus tcp是在tcp層上的。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，modbus tcp的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元首先向下傳送給傳輸層，加上tcp協(xié)議的報文；再傳送給網(wǎng)絡(luò)層，加上ip協(xié)議的報文；再向下傳送給數(shù)據(jù)鏈路層及物理層；接收的過程正好相反，從物理層一層一層的去掉相應(yīng)層的報文，最終到達應(yīng)用層。所以在使用modbus tcp進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，是要配合tcp/ip協(xié)議來使用的。通常如果你使用電腦編程，就要用到socket技術(shù)；如果是使用plc編程，通常廠家已經(jīng)把底層通信封裝成庫指令了，你只要直接調(diào)用就好了。比如西門子s7-200 smart/1200/1500等plc都有現(xiàn)成的modbus-tcp指令庫。偷偷告訴你一聲，昌暉儀表后續(xù)會寫基于plc和基于pc的modbus-tcp通信的文章。
還有一點要特別說明一下，modbus tcp使用的端口號是502，一定要給modbus tcp預(yù)留好，不能被別人占用哦。