Modbus协议详解5：Modbus数据模型、寄存器、功能码 (非常重要)

Modbus是应用层上的协议，还是一种主从的通信协议，通信过程按照一定的协议规则进行，数据的交互也是有固定的格式的。

总的来说，Modbus是有着明确且固定的数据模型的，并且通信过程中的数据交互识别是要按照功能码进行的。接下来会介绍Modbus的数据模型、寄存器和功能码。

1. Modbus的数据模型

数据模型简单而言就是数据在协议传输数据过程中的表达形式。数据模型还是协议中约定的对从站设备的可访问数据的一种抽象，Modbus中的数据模型有以下四种：

从上图中可以看到，线圈和离散输入都是布尔型的量，所以对这个两个数据类型的访问只能以bit的方式进行。而输入寄存器和保持寄存器都是无符号的的2字节整型量，支持以字节的方式进行访问。

同时需要特别的一点：线圈和保持寄存器都是可读可写的，离散输入和输入寄存器都只读，意味着只能访问该数据类型的内容，而不支持主动去修改他们。

看到这里估计会有感觉疑惑：这线圈、离散量、寄存器啥的到底都是些什么啊？看着还挺让人奇怪的。问到这里就需要简单的说一下Modbus的背景了。

Modbus协议最早的应用领域是工业控制中的，那个时候PLC中的使用很多，而且涉及的控制对象又很多是开关、指示灯、信号灯等等的，所以为了控制和表示这一系列的对象，就需要抽象一些数据类型出来专门进行表示。

线圈可读可写，还是布尔类型的，它可以表示控制现场的开关，1表示开关的打开，0表示开关的关闭。控制开关的开闭可以这么表示，同样的读取回来的值也可以表示开关的开闭状态。

离散量输入也是布尔型的，但是只能读取，不支持写入。所以它可以表示控制现场中的信号灯的状态，主设备通过查询这些bit的值从而获知信号灯的状态。

输入寄存器是只读的，占有两个字节的数据量。所以可以用于存储一些系统的信息，方便主设备随时查询，从而获知从设备的状态。

保持寄存器可读可写，也是两个字节的数据量。所以可以接收来自主设备的控制数据，也可以向主设备返回从设备的控制数据。

2. Modbus的寄存器与地址模型

对Modbus有所了解的朋友应该会经常遇到像30005、10002之类的地址，这一串的数字初一看真的让人挺迷糊的，这些数据到底表示的啥啊？

其实一串数据表示的是Modbus的地址模型。Modbus的数据模型如下表：

上面的表格第一眼并不能直观的看明白是怎么一回事，需要加以解释。

Modbus中的数据元素都定义了地址，范围从0~65535，即最多65536个元素，也就决定了最多有65536个数据元素。

但是呢，65536是协议允许的最大元素范围，实际使用中并不是要求必须全部都实现。Modbus协议是允许设备自行根据使用情况实现需要的部分元素的。这怎么理解？意思就是Modbus并不要求全部实现全部的数据模型，比如你可以选择只要保持寄存器，而不要线圈、离散输入、输入寄存器，都是可以的。

说到这里还有一个问题需要思考：为什么说Modbus协议的数据访问地址范围是65536个呢？要弄清楚这个问题的答案其实也不难，只要仔细看看Modbus的通信协议帧便可以知道了。

比如Modbus RTU读取一定数据保存寄存器内容的协议帧如下：

从协议帧中可以看到，地址是两个字节的，那么地址范围就是0~65535，即65536个。也就是说Modbus可以访问到的寄存器地址多达65536个。

3. Modbus的功能码

Modbus的功能码分为三类：公共功能码、用户定义功能码、保留功能码。如下图：

公共功能码：公共功能码是已经被定义好的功能码。

用户定义功能码：用户定义功能码有两个范围，65~72和100~110。

保留功能码：可以用于某些公司或者应用使用的功能码，这部分功能码对公共使用是无效的。

公共功能码如下表：

知道了功能码之后又怎么使用Modubs协议去进行通信呢？

比如：读取离散量输出20-38的实例如下：

将输出 27-20 的状态表示为十六进制字节值 CD，或二进制 1100 1101。输出 27 是这个字节的MSB，输出 20 是 LSB。

通常，将一个字节内的比特表示为 MSB 位于左侧，LSB 位于右侧。第一字节的输出从左至右为 27 至 20。下一个字节的输出从左到右为 35 至 28。当串行发射比特时，从 LSB 向 MSB 传输：20 . . .27、28 . . . 35 等等。

在最后的数据字节中，将输出状态 38-36 表示为十六进制字节值 05，或二进制 0000 0101。输出38 是左侧第六个比特位置，输出 36 是这个字节的 LSB。用零填充五个剩余高位比特。