Modbus RTU 和 Modbus TCP 协议
Modbus 是一种广泛应用于工业自动化和数据采集领域的通信协议，最初由 Modicon 公司于1979年开发。它以开放、简单、易于实现著称，支持多种物理层和网络结构。Modbus 协议主要有三种变体：Modbus RTU、Modbus ASCII 和 Modbus TCP。本文重点介绍其中的 Modbus RTU 和 Modbus TCP 两种协议。
▶ Modbus RTU 协议
定义与原理
Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是一种基于串行通信的协议，常用的物理接口为 RS-485 和 RS-232。它采用主从（Master/Slave）架构：主设备（如PLC或上位机）主动发起请求，从设备（如传感器、执行器等）被动响应。
数据帧结构
Modbus RTU 的数据帧采用紧凑的二进制格式，结构如下：
- 地址域（1字节）：指定目标从设备，取值范围1~247。
- 功能码（1字节）：定义操作类型，如读写寄存器。
- 数据域（N字节）：包含具体的数据内容（如寄存器地址、数据值）。
- CRC 校验（2字节）：循环冗余校验，确保数据完整性。
通信流程
- 主设备发送请求帧，指定目标从设备及操作内容。
- 从设备收到请求后解析并执行操作，然后返回响应帧。
- 通信过程中采用 CRC 校验，保证数据可靠传输。
优点与应用
- 简单易用，开放标准，兼容性强。
- 适用于工业自动化、楼宇自动化、能源监测等场景，尤其适合需要远距离、抗干扰能力强的串行通信环境。
- 支持多达247个从设备，适合中小型分布式系统。
局限性
- 通信速率有限，通常不高于115.2kbps。
- 需专用串行线路，布线和维护成本较高。
- 不具备安全机制，不适合大规模或高安全性需求的系统。
▶ Modbus TCP 协议
定义与原理
Modbus TCP 是对传统 Modbus 协议的网络扩展，将其封装于 TCP/IP 协议之上，运行于以太网环境。它采用客户端/服务器（Client/Server）模式，通常由上位机作为客户端，现场设备（如PLC、I/O模块等）作为服务器。
数据帧结构
Modbus TCP 的数据帧主要包括三部分：
- MBAP 报文头（7字节）：包含事务标识符、协议标识符、长度、单元标识符等。
- 功能码（1字节）：与RTU一致，定义操作类型。
- 数据域（N字节）：具体操作数据内容。
与RTU不同，Modbus TCP 不再需要 CRC 校验，因为 TCP/IP 协议本身具备数据完整性校验机制。
通信流程
- 客户端通过 TCP 502 端口与服务器建立连接。
- 客户端发送请求帧，服务器解析并响应。
- 通信完成后可断开连接，也可保持长连接进行多次交互。
优点与应用
- 基于以太网，通信速率高，支持远距离和大规模网络。
- 利用 TCP/IP 的可靠性和互联能力，易于与现代IT系统集成。
- 支持高速数据访问，适合SCADA、工业互联网、楼宇自动化等需要大量数据交换的场景。
- 易于配置和扩展，广泛被工业设备厂商支持。
局限性
- 需要以太网基础设施和IP地址管理。
- 对实时性要求极高的场合需考虑网络延迟和拥塞因素。
▶ 总结
Modbus RTU 和 Modbus TCP 都是工业自动化领域的主流通信协议。Modbus RTU 适合传统串行通信场合，具有高可靠性和抗干扰能力；Modbus TCP 则顺应工业网络化趋势，支持高速、远距离和大规模设备互联。两者均基于主从/客户端-服务器架构，采用功能码和寄存器映射方式实现数据交换，极大地促进了工业设备的互联互通。