项目场景：
项目中，需要用modbus与温控器通信，控制面板的加热温度，Qt框架下已经提供了modbus模块
初识Modbus
Modbus 协议是一种通信协议，而且是一种开放协议，因此广泛地用于在工业自动化系统中实现设备之间的数据交换。它是最常用的串行通信协议之一，广泛应用于监控和控制设备之间的通信。简而言之，它是用于在电子设备之间的串行线路上传输信息的方法。请求信息的设备被称为 Modbus 客户端，提供信息的设备是 Modbus 服务器。Modbus 支持单主机，多个从机，在标准 Modbus 网络中，有一个客户端和多达 247个服务器，每个服务器都有从 1 到 247 的唯一服务器地址。客户端还可以向服务器写入信息。
Modbus 通常用于从仪器和控制设备传输信号到主控制器或数据采集系统，例如用于测量温度和湿度并将结果传输到计算机的系统。Modbus 通常用于将监控计算机与远程终端单元（RTU）连接在一起，这在监控和数据采集（SCADA）系统中使用。
Modbus 协议简单易于实现，传输效率高，因此在工业自动化领域得到广泛应用。它支持多个设备之间的并行通信，可以实现分布式控制系统的互联互通。同时，Modbus 协议还具有跨平台、跨厂商的特点，使得不同厂商的设备可以进行互操作。
作为初学者，阅读Modbus协议时会发现它的概念别扭、重复、不易区分，比如线圈状态（Coil Status）、离散输入状态（Discrete Input Status）、保持寄存器（Holding Register）、输入寄存器（Input Register）。
回到事情的本质，在工业控制PLC领域，涉及数字信号的输入、输出，模拟信号的输入、输出，如下图所示：
在上图中，“数字量输入DI”是只读的，“数字量输出DO”是可读可写的，“模拟量输入AI”是只读的，“模拟量输出AO”是可读可写的。
上图里的“模拟量输入AI”、“模拟量输出AO”都表示“多位数值”，这些“多位数值”无需局限于只表示“模拟量”，也可以表示“多位数字量”。把AI、AO的含义扩展后，如下图所示：
对于软件开发而言：
- 想得到按键输入状态时，读取到的是一位数据；
- 想控制LED时，需要输出一位数据，想读取LED当前状态时，也可以读取到一位数据
- 想读取参数时，读取到的“输入寄存器”，得到多位数据，比如16位数据
- 想设置参数时，写的是“保存寄存器”，写入的是多位数据，比如16位数据；也可以读“保存寄存器”
寄存器
前面介绍 Modbus 的内容中多次提到线圈（coil）和寄存器（register）的概念，尤其是 Modbus 功能码 中，操作的对象基本上都是线圈和寄存器。
在 Modbus 协议中之所以仍然称为线圈和寄存器，完全是历史原因。在 PLC 应用领域，一个线圈就代表一个 PLC 输出点，也称为输出继电器。通过控制线圈导通与否来改变继电器输出状态，实现弱电控制强电。
但实际上，在如今的 Modbus 设备中，它们都只是对应一块内存区域而已。其中，线圈代表位操作（bit），表示一个布尔变量；寄存器代表字操作（word），表示一个整型变量（当然也可以通过多个字的组合，表示浮点数以及其他复合数据结构）。在 Modbus 协议中，字（word）的长度是 16 位，即 2 个字节。
Modbus协议规定，进行读写操作的数据类型，按照读写属性和类型可分为以下4种：
1. 寄存器种类
● 离散量输入（Discretes Input）：1位，只读
● 线圈（Coils）：1位，读写
● 输入寄存器（Input Registers）：16位，只读
● 保持寄存器（Holding Registers）：16位，读写
| 内存区块 | 数据类型 | 主设备访问 | 从设备访问 | 内容 |
|---|---|---|---|---|
| 离散量输入 | 布尔 | 只读 | 读写 | I/O 系统提供这种类型数据 |
| 线圈 | 布尔 | 读写 | 读写 | 通过应用程序改变这种类型数据 |
| 输入寄存器 | 无符号双字节整型 | 只读 | 读写 | I/O 系统提供这种类型数据 |
| 保持寄存器 | 无符号双字节整型 | 读写 | 读写 | 通过应用程序改变这种类型数据 |
| 寄存器种类 | 说明 | 与PLC类比 | 举例说明 |
|---|---|---|---|
| 线圈状态(Coil Status) | 输出端口。可设定端口输出状态，也可以读取该位的输出状态。可分为两种不同的执行状态，例如保持型或边沿触发型。 | DO(数字量输出) | 电磁阀输出、 MOSFEF输出、LED显示等 |
| 离散输入状态(Discrete Input Status) | 输入端口。通过外部设定改变输入状态，可读但不可以写。 | DI(数字量输入) | 拨码开关、接近开关等 |
| 保持寄存器(HoldingRegister) | 输出参数或保持参数，控制器运行时被设定的某些参数，可读可写。 | AO(模拟量输出) | 模拟量输出设定值，PID运行参数，变量阀输出大小，传感器报警上限下限 |
| 输入寄存器（Input Register） | 输入参数。控制器运行时从外部设备获得的参数，但可读不可写。 | AI（模拟量输入) | 模拟量输入 |
2. 寄存器地址
简单记忆方法：
- 偶数类的寄存器”是可读可写的，比如“0x”和“4x”；
- “奇数类的寄存器”是只读的，比如“1x”和“3x”；
- “0x”和“1x”是bit寄存器；
- “3x”和“4x”是16bit寄存器。
Modbus 的工作原理
Modbus 是一主多从的协议，如下图所示：
主控发出的数据里，必定含有如下信息：
- 设备地址：你要访问从设备 1，还是访问从设备 2。
- 访问哪类寄存器，是读还是写，只访问 1 个寄存器，还是多个寄存器：这被称为功能码。
- 起始寄存器地址、寄存器数量：这在数据里定义。
- 为了保证数据传输的可靠，还附带有 CRC 检验码。
功能码
Modbus 协议定义了一系列功能码，用于读取和写入设备的寄存器。常用的功能码包括读取保持寄存器、读取输入寄存器、写单个保持寄存器等。通过组合使用功能码和寄存器地址，可以实现对设备的读取和控制操作。
Modbus 主要包括 3 类功能码：公共功能码、用户定义功能码和保留功能码。
功能代码有哪些？常用的功能码如下：
- 读线圈状态（01）
- 读离散输入状态（02）
- 写单个线圈（05）、写多个线圈（15）
- 读保持寄存器（03）
- 读输入寄存器（04）
- 写单个保存寄存器（06）、
- 写多个保存寄存器（16）
1.1 0类代码
0 类代码通常被认为是有效 Modbus 设备的最低配置，因为此类代码可使主设备能够读取或写入数据模型。
| 代码 | 说明 |
|---|---|
| 3 | 读取多寄存器 |
| 16 | 写入多寄存器 |
1.2 1类代码
1 类功能码由访问所有类型的数据模型所需的其他代码组成。在原始定义中，此列表包含功能码 7（读取异常）。但是，当前规范规定此代码为仅限于串行的代码。
| 代码 | 说明 |
|---|---|
| 1 | 读取线圈 |
| 2 | 读取离散量输入 |
| 4 | 读取输入寄存器 |
| 5 | 写入单个线圈 |
| 6 | 写入单个寄存器 |
| 7 | 读取异常状态（仅限串行） |
| 代码 | 说明 |
|---|---|
| 15 | 写入多个线圈 |
| 20 | 读取文件记录 |
| 21 | 写入文件记录 |
| 22 | 屏蔽写入寄存器 |
| 23 | 读取/写入多个寄存器 |
| 24 | 读取 |
1.4 异常
从设备使用异常来指示各种不良状况，比如错误请求或不正确输入。但是，异常也可以作为对无效请求的应用程序级响应。从设备不会响应发出异常的请求，而是忽略不完整或损坏的请求，并开始等待新的消息传入。
异常以定义好的数据包格式报告给用户。首先，将功能码返回给等同于原始功能码的请求主设备，设置最高有效位的情况除外。这等同于为原始功能码的值加上 0x80。异常响应包括一个异常码，用于代替与给定功能响应相关的正常数据。
根据标准，四个最常见的异常码是 01、02、03 和 04。下表中显示了这些代码，并附有每个功能的标准含义。
| 异常码 | 含义 |
|---|---|
| 01 | 不支持接收的功能码。要确认原始功能码，请从返回值中减去0x80。 |
| 02 | 请求尝试访问的地址无效。根据标准，只有在起始地址和所请求值的编号超过216时才会发生这种情况。但是，有些设备可能会限制其 |
| 03 | 请求包含不正确的数据。在某些情况下，这意味着参数不匹配，例如所发送寄存器的数量与“字节总数”字段之间的参数不匹配。更常见的情况是，主设备请求的数据高于从设备或协议所允许的上限。例如，主设备一次只能读取 125 个保持寄存器，而资源受限的设备可能会将此值限制为更少的寄存器。 |
| 04 | 尝试处理请求时发生不可恢复的错误。这是一个常见异常码，表示请求有效，但从设备无法执行该请求。 |
三种工作模式
Modbus 协议主要有三种形式：Modbus ASCII、Modbus RTU 和 Modbus TCP/IP。Modbus ASCII 和 Modbus RTU 是基于串行通信的协议，而 Modbus TCP/IP 则是基于以太网的协议。
1. Modbus ASCII
Modbus ASCII 是一种文本协议，使用 ASCII 码表示数据。它使用起始字符（“:”）、从站地址、功能码、数据、结尾字符（换行符 CR/LF）等字段来定义通信内容，并采用的是 LRC 校验算法。数据以 ASCII 码的形式传输，通常是通过 RS-232 或 RS-485 等串行通信接口进行传输。
2. Modbus RTU
Modbus RTU 是一种二进制协议，使用二进制码表示数据。它采用起始字符、从站地址、功能码、数据等字段来定义通信内容，并使用 CRC 校验位来保证数据的完整性。Modbus RTU 通常通过 RS-232、RS-485 或 RS-422 等串行通信接口进行传输。
3. Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP 是一种基于以太网的协议，使用 TCP/IP 协议栈进行通信。它使用以太网帧作为数据传输的封装，通过 IP 地址和端口号来标识设备。其占用的是 502 端口，数据帧主要包括两部分：MBAP（报文头）+PDU（帧结构），数据块与串行链路是一致的。Modbus TCP/IP 可以通过以太网、无线局域网等网络介质实现设备之间的远程通信。
补充：
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 协议
Modbus协议是一种已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）可以和其它设备之间进行通信。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Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。
Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232、RS485和RS422等），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
- 如果出现任何差错，从设备将返回一个异常功能码
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。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，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。
当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
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 是一种应用层消息传递协议，位于 OSI 模型的第 7 层。它提供连接在不同类型总线或网络上的设备之间的客户端/服务器通信。
Modbus通信栈如下：
常用术语：
Modbus是一个请求、应答协议，并且提供统一的功能码用于数据传输服务。Modbus功能码是Modbus请求/应答PDU (Protocol Data Unit，协议数据单元)的元素之一，所谓的PDU其实就是Modbus协议定义的一个与基础通信层无关的简单协议数据单元。特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在ADU (Application Data UInit ，应用数据单元)上引入一些附加域，从而实现完整而准确的数据传输。
为了寻求一种简洁的通信格式，Modbus协议定义了PDU模型，即功能码+数据的格式，而为了适应多种传输模式，又在PDU的基础上增加了必要的前缀 (如地址域)和后缀(如差错校验) ，形成了ADU模型（见下图）。
通用MODBUS帧如下：
Modbus事务处理过程：
主机设备 (或客户端)创建Modbus应用数据单元形成查询报文，其中功能码标识了向从机设备 (或服务器端)指示将要执行的操作。其中功能码占用1字节，有效的码字范围是十进制1 ~ 255 (其中128 ~255为异常响应保留) 。查询报文创建完毕，主机设备 (或客户端) 向从机设备 (或服务器端)发送报文，从机设备 (或服务器端)接收报文后根据功能码做出相应的动作，并将响应报文返回给主机设备 (或客户端)，如图下所示：
MouBus事务处理（无异常）
如果在一个正确接收的Modbus ADU中不出现与请求Modbus功能有关的差错，那么从机设备 (或服务器端) 将返回正常的响应报文。如果出现与请求Modbus功能有关的差错，那么响应报文的功能码域将包括一个异常码，主机设备(或客户端)能够根据异常码确定下一步执行的操作；对于异常响应，服务器返回一个与原始功能码等同的码，设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1，用于通知主设备（客户端）。如下图所示：
MouBus事务处理（异常响应）
