Modbus协议是一种广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其他设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为ModbusMaster，从设备方使用的协议称为ModbusSlave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。
Modbus协议基于主从结构，其中一个设备充当主站，其他设备充当从站。通信方式主要分为串行通信和以太网通信两种。在串行通信中，Modbus协议使用RS485或RS232通信接口，传输速率可根据具体需求进行调整。以太网通信则使用TCP/IP协议进行数据传输，速率较快，适用于大规模自动化系统。
Modbus协议定义了一套数据帧格式，包括主站地址、功能码、数据字节等字段。主站通过发送读写请求来与从站进行通信，从站则响应主站的请求。Modbus协议的主要功能码包括：
读取线圈：用于读取从站的开关量输出状态。
读取离散量输入：用于读取从站的开关量输入状态。
读取保持寄存器：用于读取从站的模拟量输出状态。
读取输入寄存器：用于读取从站的模拟量输入状态。
写单个线圈：用于向从站写入开关量输出状态的数据。
写单个保持寄存器：用于向从站写入模拟量输出状态的数据。
写多个线圈：用于批量写入从站的开关量输出状态的数据。
写多个保持寄存器：用于批量写入从站的模拟量输出状态的数据。
Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232、RS485和RS422），也可以选择以太网口。其通信遵循以下的过程：主设备向从设备发送请求，从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其他设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
Modbus的工作方式是请求/应答，每次通讯都是主站先发送指令，可以是广播，或是向特定从站的单播；从站响应指令，并按要求应答，或者报告异常。当主站不发送请求时，从站不会自己发出数据，从站和从站之间不能直接通讯。
Modbus协议是应用层（协议层）报文传输协议，它定义了一个与物理层无关的协议数据单元（PDU），即PDU=功能码+数据域，功能码1byte，数据域不确定。Modbus协议能够应用在不同类型的总线或网络。对应不同的总线或网络，Modbus协议引入一些附加域映射成应用数据单元（ADU），即ADU=附加域+PDU，例如ModbusTCP/IP------ADU=MBAP+ADU。
Modbus有下列三种通信方式：
以太网：对应的通信模式是ModbusTCP/IP。
异步串行传输（各种介质如有线RS-232-/422/485/;光纤、无线等）：对应的通信模式是ModbusRTU或ModbusASCII。
高速令牌传递网络：对应的通信模式是ModbusPLUS。
ModbusRTU和ModbusASCII协议应用于串口链接（RS232、RS485、RS422），Modbustcp/ip协议应用于以太网链接。标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。
控制器通信使用主/从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其他设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。
Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。
在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其他控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。在消息位，Modbus协议仍提供了主/从原则，尽管网络通信方法是对等。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。
查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。如果从设备产生正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。
Modbus协议的报文（或帧）的基本格式是：表头+功能码+数据区+校验码。功能码和数据区在不同类型的网络都是固定不变的，表头和校验码则因网络底层的实现方式不同而有所区别。表头包含了从站的地址，功能码告诉从站要执行何种功能，数据区是具体的信息。对于不同类型的网络，Modbus的协议层实现是一样的，区别在于下层的实现方式，常见的有TCP/IP和串行通讯两种。ModbusTCP基于以太网和TCP/IP协议，ModbusRTU和ModbusASCII则是使用异步串行传输（通常是RS-232/422/485）。
串行传输的物理层是RS-485或RS-232，数据链路层是Modbus的串行传输协议；ModbusTCP传输的1、2、3、4层实现和日常所见的以太网、因特网一样，Modbus默认采用的TCP端口号是502。对于ModbusTCP而言，主站通常称为Client，从站称为Server；而对于ModbusRTU和ModbusASCII来说，主站是Master，从站是Slave。
ModbusTCP的数据帧可分为两部分：ADU=MBAP+PDU=MBAP+功能码+数据域，MBAP7byte，功能码1byte，数据域不确定，由具体功能决定。MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：
取消了校验位。数据链路层上就进行了CRC-32的校验，TCP/IP是面向连接的可靠性的协议，因此没必要再加上校验位。
Slave地址换成了UnitIdentifier。当网络里的设备全是使用TCP/IP，这个地址是没有意义的，因为IP就能进行路由寻址。如果网络里还有串行通讯的设备，则需要网关来实现ModbusTCP到ModbusRTU或ASCII之间的协议转换，这时用UnitIdentifier来标识网关后面的每个串行通讯设备。
Length是指后面的字节总数。实际上数据区的长度是能确定的，有的功能码就可以确定数据区的长度，有的功能码虽不能确定数据区长度，但是数据区有字节计数。
TransactionIdentifier和ProtocolIdentifier由Client生成，Server的响应将复制这些参数。
二、Modbus通讯实例案例案例描述：
假设我们有一个工业自动化系统，包括主站和多个从站设备。主站需要读取从站设备的温度传感器数据，并向从站设备发送控制指令。
通讯过程：
读取温度传感器数据：
主站请求：主站向从站设备发送读取输入寄存器的请求。假设从站地址为01H，读取的输入寄存器的起始地址为0008H，读取2个寄存器。指令格式如下：
010400080002[CRC校验码]
其中，01为从站地址，04为功能码（读取输入寄存器），0008为起始地址，0002为读取的寄存器数量，[CRC校验码]为校验码。
从站响应：从站设备收到请求后，将温度传感器数据存储在输入寄存器中，并向主站发送响应。响应格式如下：
010404[数据区][CRC校验码]
其中，01为从站地址，04为功能码（读取输入寄存器），04为数据字节数（每个输入寄存器2个字节，共读取2个寄存器，所以数据字节数为4），[数据区]为温度值（以两个字节表示），[CRC校验码]为校验码。
数据解析：主站从响应中提取温度传感器数据，并进行处理。温度值由两个字节组成，需要按照Modbus协议的规定进行解析，得到实际的温度值。
发送控制指令：
主站请求：当需要向从站设备发送控制指令时，主站可以使用写单个保持寄存器或写多个保持寄存器的功能码。例如，假设主站要向从站设备发送一个控制指令，将某个设备的运行状态设置为ON。假设从站地址为01H，保持寄存器的地址为0001H，数据为FF00H（表示ON状态）。指令格式如下：
01060001FF00[CRC校验码]
其中，01为从站地址，06为功能码（写单个保持寄存器），0001为寄存器地址，FF00为数据（高字节在前，低字节在后），[CRC校验码]为校验码。
从站响应：从站设备收到请求后，将寄存器中的数据解析为控制指令，并执行相应的操作。如果写入成功，从站设备将返回写入成功的响应，格式如下：
01060001FF00[CRC校验码]
其中，各字段的含义与请求指令相同，表示写入成功。
另一案例：
假设我们要读取一个温度传感器的数据，该传感器通过ModbusRTU协议与主机连接。传感器的地址为1，数据存储在保持寄存器中，希望读取的寄存器地址为1000。以下是读取温度传感器数据的示例Modbus请求和响应：
请求数据：
地址：1
功能码：03（读取保持寄存器）
起始地址：1000
寄存器数量：1
校验：校验和
请求格式：
地址+功能码+起始地址（高字节+低字节）+寄存器数量（高字节+低字节）+校验和
例如：010303E80001[校验和]
响应数据：
地址：1
功能码：03（读取保持寄存器）
字节数：2（因为读取的是1个保持寄存器，每个保持寄存器2个字节）
数据：温度值（以两个字节表示）
校验：校验和
响应格式：
地址+功能码+字节数+数据（高字节+低字节）+校验和
例如：010302[温度值高字节+温度值低字节][校验和]
主机发送Modbus请求后，设备需要解析请求并进行相应的处理。对于上述的温度传感器例子，设备需要读取保持寄存器中的温度值，并将其作为响应返回给主机。设备还可以根据业务需求进行数据转换、计算和处理，以满足特定的应用场景。
通过以上案例，我们可以看到Modbus协议在工业自动化领域中的实际应用场景。通过读写寄存器的方式，主从设备可以进行简单而高效的数据交互，实现自动化控制和数据采集。Modbus协议以其简单可靠的特点，在工业自动化领域中得到了广泛的应用和推广。
