从零搭建厂务数据采集：Modbus TCP与RTU通信调试 - 第2节

2.1 Modbus协议发展历史

Modbus协议由Modicon公司（现施耐德电气旗下）于1979年发明，最初用于可编程逻辑控制器（PLC）之间的通信。作为工业自动化领域最早开放的通信协议之一，Modbus经历了从串行总线到以太网的演进，至今仍是厂务数据采集系统中最广泛使用的协议。

2.1.1 关键发展里程碑

2.2 物理层与协议栈

Modbus协议栈采用分层设计，物理层决定了信号的传输介质和电气特性，数据链路层定义了帧格式和差错校验，应用层则规定了功能码和数据模型。不同物理层对应不同的通信变体。

2.2.1 物理层对比

2.2.2 协议栈分层模型

Modbus TCP/IP协议栈遵循OSI模型简化分层，Modbus RTU则直接映射到物理层和数据链路层。

2.3 主从架构与通信模型

Modbus采用严格的主从（Master/Slave）通信架构，在Modbus TCP中称为客户端/服务器（Client/Server）。整个网络中只有一个主站（Master/Client），其余均为从站（Slave/Server）。主站发起所有通信请求，从站只能响应，不能主动发送数据。

2.3.1 主从架构核心规则

• 单主站原则： 同一时刻只能有一个主站设备，避免总线冲突。
• 轮询机制： 主站依次向每个从站发送请求帧，从站回复响应帧。
• 从站地址： 每个从站拥有唯一地址（1~247），地址0为广播地址。
• 超时处理： 主站发送请求后启动定时器，若超时未收到响应则重试或报错。

2.3.2 通信模型对比

2.3.3 通信流程示例

以下是一个典型的Modbus RTU读取保持寄存器的通信流程：

1. 主站发送请求帧： 从站地址 + 功能码 + 起始地址 + 寄存器数量 + CRC校验
2. 从站接收并解析： 校验地址匹配 → 校验CRC → 执行功能码操作
3. 从站返回响应帧： 从站地址 + 功能码 + 数据字节数 + 数据 + CRC校验
4. 主站校验响应： 校验CRC → 提取数据 → 更新数据库或界面

import struct

# 构建Modbus RTU读取保持寄存器请求帧
slave_addr = 0x01          # 从站地址1
function_code = 0x03       # 读取保持寄存器
start_addr = 0x0064        # 起始地址100
quantity = 0x0002          # 读取2个寄存器

# 组装报文（不含CRC）
frame = struct.pack('>BBHH', slave_addr, function_code, start_addr, quantity)

# 计算CRC-16并追加
crc = calculate_crc16(frame)
frame += struct.pack('<H', crc)

# 通过串口发送
serial_port.write(frame)

2.3.4 数据模型与地址空间

Modbus协议定义了四种基本数据对象类型，每种类型对应不同的功能码和地址范围。理解数据模型是正确配置采集点的前提。

2.3.5 功能码速查表

2.4 本章小结

• Modbus协议自1979年诞生，经历了从串行到以太网的演进，是厂务数据采集的基石。
• 物理层选择直接影响通信距离、速率和抗干扰能力：RS-485适合长距离多节点，以太网适合高速大容量。
• 主从架构是Modbus的核心通信模型，主站轮询、从站响应，地址唯一性至关重要。
• 四种数据对象（线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器）覆盖了数字量和模拟量的读写需求。
• 功能码是操作指令，03/04读寄存器、06/16写寄存器是厂务采集最常用的功能码。