Modbus协议概述
Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是Modbus通信协议的一种变种，用于串行通信。它是一种常见的工业控制系统通信协议，通常用于采集传感器数据、控制执行器和监控设备状态。
- 地址：取值范围是0-247，如果是0，就是主站广播报文；如果是1-247，则有可能是主站请求或者从站应答。
- 功能码：也就是报文命令，代表主站对从站的操作，读或者写
- 数据：数据字段，主请求报文，从应答报文会有所差异。也就是说假设抓取总线报文，如何区分是主站请求还是从站应答，则需要通过数据字段进行区分了。
- CRC校验：采用CRC16，16位循环冗余校验。
Modbus RTU 帧总长度最大为 256 字节（即数据部分最多252字节）。
- RS-485：半双工收发接口，这是最为常用的modbus物理层，信号采用差分电平编码，用一对双绞线现场布线，抗干扰性能也不错
- RS-422：全双工收发接口，这种物理层也有比较多的应用，信号采用差分电平编码，需要两对双绞线现场布线，抗干扰性能也不错。与RS-485相比，其优势在于可以实现全双工，通信的效率高些，所需要的代价就是现场布线需要两对双绞线，增加了一定的成本。
- RS-232：全双工收发接口，这个基本用在点对点通信场景下，不适合多点拓扑连接，采用共模电平编码，一般需要Rxd/Txd/Gnd三根线连接。
Modbus-RTU和Modbus-TCP的区别
- Modbus RTU通过串行线（如RS-485、RS-232）进行数据传输，其传输速度相对较慢。
Modbus
RTU采用紧凑的二进制格式对数据帧进行封装，包括地址域、功能码、数据和校验和等字段。这种格式以二进制形式进行高效传输，因此则更适合实时或本地控制应用，尤其是在没有现成网络基础设施的环境中，如：工业自动化现场、嵌入式系统、传感器网络以及小型控制系统等场景- Modbus TCP利用TCP/IP协议栈在网络上进行数据传输，它依赖于以太网等网络基础设施，可以实现高速、大规模的数据传输。
而Modbus
TCP则是将每字节二进制数据转换为固定两位十六进制字符串，再依次串联在一起，以TCP码形式进行数据传送。因其简单、可靠和成本效益高的特点，广泛应用于大型自动化系统、数据中心、楼宇自动化以及工业物联网等对通信距离较远，且对数据传输的实时性和稳定性要求较高的场景。
链路层一个最最重要的职责就是对通讯介质的管理，如果没有介质的管理，就不能称其为总线。
Modbus从链路控制的角度属于主站(Master)/从站(Slave)模式，比较简单。对介质的访问控制相当于时分复用。通讯总是由主站发起，但可分为单播和广播两种方式，单播就是主站向特定的从站发出通讯请求，广播是向总线所有的设备发起通讯请求。
- 广播(Broadcast)：主站向总线所有设备发出广播报文，所有从设备处理广播报文但不做应答，报文中地址为0则为广播请求:
- 单播(Unicast): 报文中的地址字段指定所需要访问的设备，该设备收到请求后作出对应的应答。单播地址指的是从设备地址，主设备是没有地址的。
从链路管理的角度来看，总线介质上发送报文的有两种设备，一种是主设备，另一种是从设备。对于主设备来说，它会有两种报文会向总线介质发送：一种是广播报文，另一种是单播报文。下图状态机描述了Modbus的介质管理：
图中的事件的产生，将会触发主设备链路状态机从一个状态迁移到另一个状态，在事件触发后，还伴随动作需要执行。
- 空闲：主设备处于空闲态。如果此时应用程序需要发送一个从设备请求，就会切换到等待应答状态；如果此时应用需要发送总线广播，此时，主设备就切换到广播延时。
- 等待应答：在等待应答状态时，主设备将等待来自从设备的应答报文，如果接收到从站的报文，则进入应答处理。如果等待超时则进入错误处理状态机；在等待过程中，状态机不发生迁移。
- 广播延时：如果主设备需要发送广播报文，则发送完就进入广播延时状态。这里为什么要延时呢？延时的设计目的就是留给从设备一点时间去处理接收到的广播请求。如果主设备没有这个延时，那么如果应用马上在发一个请求，则从设备有可能来不及处理。但是从设备只做接收处理，任何从设备都不可以对广播报文进行应答。
对于从设备来说，只接收主设备请求或者发送应答，因此从设备的状态机就更简单了。
从设备的状态机很简单，系统一上电就进入空闲状态，空闲态一直监听总线报文，当收到一个完整的报文时，首先校验报文的正确性，再检查报文是否是发给该设备的，如果是请求本设备的，则先完成请求的操作，然后准备好应答报文，如果出错则将出错信息发送给主站。如果收到的是主站广播请求，则仅仅处理相应请求，不做任何应答。
对于帧的时间管理，其实就是对介质的冲突管理，Modbus-RTU对于介质管理规定了2个重要的时间参数，以实现成帧、冲突管理等。
在 RTU 模式， 报文帧由时长至少为 3.5 个字符时间的空闲间隔区分。软件通过这个时间来判断数据是否发送完，当超过3.5 个字符时间没有收到数据，表示本次数据传输完成。
这个图可以用于断帧，也就时判断是否接收到一个完整的帧，因此只需要使用一个定时器在每次收到一个字节后，就重启一个3.5字节定时器，如果这个3.5字节定时器中断了，就证明收到了一个Modbus报文，至于这个报文是不是正确的报文，可以在进一步根据帧格式进行校验。另外还规定了报文需要连续发送，字节间隔不得超过1.5字节时间。
上面对于介质管理所规定得时分复用，可以用一个状态机来描述：
其实这里Client/Server是从应用层的角度描述得，Modbus-RTU中，主设备其应用层就是client侧，而slave从设备就是应用的server。
- 无错误：Client(主站)向从站发出请求，Server(从站)执行命令请求的操作，然后发送应答给Client(主站)，这里的操作，有可能是读取参数，设置参数，或者执行某个动作，具体取决于如何设计。
- 有错误：Client(主站)向从站发出请求，Server(从站)检测到错误，然后发送异常应答给Client(主站)。这里的错误，有可能是读取失败，寄存器地址非法，写失败，执行动作失败等。
CRC校验原理
查表法实现CRC16校验
发送报文格式如下
发送报文含义：
读取1号从站输出线圈（R/W），寄存器起始地址为0x13=19，对应绝对地址为00020，线圈数量为0x1B=27。
即读取1号从站输出线圈，地址从00020-00046，共27个线圈的状态值。
协议中的起始地址指的是索引，后面的地址指的是具体地址，对于任意一个存储区，索引都是从0开始的，但是对应的具体地址，与存储区是相关的，比如输出线圈，0对应00001；输入线圈，0对应10001；输入寄存器，0对应30001；保持寄存器，0对应40001。
返回报文格式如下
返回1号从站输出线圈00020-00046，共27个线圈的状态值，返回字节数为4个，分别为CD 6B B2 05。
CD=1100 1101 对应 00020-00027
6B=0110 1011 对应 00028-00035
B2=1011 0010 对应 00036-00043
05=0000 0101 对应 00044-00046
发送报文格式如下
发送报文含义：
读取1号从站输入线圈（R），寄存器起始地址为0xC4=196，对应绝对地址为10197，线圈数量为0x1D=29。
即读取1号从站输入线圈，地址从10197-10225，共29个线圈的状态值。
返回报文格式如下
返回1号从站输出线圈10197-10225，共29个线圈的状态值，返回字节数为4个，分别为CD 6B B2 05。
CD=1100 1101 对应 10197-10204
6B=0110 1011 对应 10205-10212
B2=1011 0010 对应 10213-10220
05=0000 0101 对应 10221-10225
发送报文格式如下
发送报文含义：
读取1号从站保持寄存器，起始地址为0x6B=107，对应地址为40108，寄存器数量为0x02=2，即读取1号从站保持寄存器，地址从40108-40109，共2个寄存器的数值。
返回报文格式如下
返回报文含义：
返回1号从站保持寄存器40108-40109，共2个寄存器的数值，返回字节数为4个，分别为02 2B 01 06。
40108对应数值为0x022B；
40109对应数值为0x0106；
发送报文格式如下
发送报文含义：
读取1号从站输入寄存器，起始地址为0x6B=107，对应地址为30108，寄存器数量为0x02=2，即读取1号从站输入寄存器，地址从30108-30109，共2个寄存器的数值。
返回报文格式如下
返回报文含义：
返回1号从站输入寄存器30108-30109，共2个寄存器的数值，返回字节数为4个，分别为02 2B 01 06。
30108对应数值为0x022B；
30109对应数值为0x0106；
发送报文格式如下
返回报文格式如下
预置单输出线圈原报文返回。
发送报文格式如下
返回报文格式如下
预置单保持寄存器原报文返回。
1. 回原点
0X01 寄存器位定义：【地址高位】写入 0，回原点操作使能。
主站发送写入命令：
从机应答：
2. 定位运动
运行到指定位置
0x02 寄存器位定义：【数据高低位】目标位置。只写，设置范围0-512。
主站发送写入命令：
0x0200 = 512
从机应答：
3. 当前位置
读取当前位置寄存器的值，回复当前位置的数据。运行中无反馈数据。
0X05 寄存器位定义：【长度高低位】当前位置的数据。只读，读取范围0-512。
主站发送读取命令：
从机应答：
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