目录
- Modbus协议概述
- 协议架构与通信模式
- Modbus数据模型
- Modbus协议帧格式
- 功能码详解
- Go Modbus库完整实现
- 高级应用示例
- 调试与故障排除
Modbus协议概述
Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司（现施耐德电气）于1979年开发，用于PLC（可编程逻辑控制器）之间的通信。如今已成为工业领域最流行的通信协议之一。
主要特点：
- 主从架构：单一主设备，多个从设备
- 简单高效：协议简单，易于实现
- 开放标准：公开发布，无需授权费用
- 多接口支持：RS-232、RS-485、以太网等
协议架构与通信模式
通信模式对比
| 模式 | 传输介质 | 最大设备数 | 通信距离 | 速率 |
|---|---|---|---|---|
| RTU | RS-485 | 247 | 1200m | 115.2kbps |
| ASCII | RS-232 | 247 | 15m | 19.2kbps |
| TCP | 以太网 | 理论无限 | 网络范围 | 100/1000Mbps |
OSI模型中的位置
应用层 (7) ← Modbus协议
数据链路层 (2) ← Modbus RTU/ASCII
物理层 (1) ← RS-485/RS-232
Modbus数据模型
四种数据类型
| 数据类型 | 功能码 | 读写权限 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 线圈 | 01,05,15 | 读写 | 布尔值，1位 |
| 离散输入 | 02 | 只读 | 布尔值，1位 |
| 保持寄存器 | 03,06,16 | 读写 | 16位整数 |
| 输入寄存器 | 04 | 只读 | 16位整数 |
地址映射示例
线圈: 00001-09999 (实际地址0-9998)
离散输入: 10001-19999 (实际地址0-9998)
输入寄存器: 30001-39999 (实际地址0-9998)
保持寄存器: 40001-49999 (实际地址0-9998)
Modbus协议帧格式
Modbus RTU帧格式
[地址][功能码][数据][CRC校验]
- 地址: 1字节，从设备地址(1-247)
- 功能码: 1字节，操作类型
- 数据: N字节，具体操作数据
- CRC: 2字节，循环冗余校验
Modbus TCP帧格式
[事务标识][协议标识][长度][单元标识][功能码][数据]
- 事务标识: 2字节，请求响应匹配
- 协议标识: 2字节，通常为0
- 长度: 2字节，后续字节数
- 单元标识: 1字节，从站地址
功能码详解
常用功能码表
| 功能码 | 名称 | 操作 | 最大数量 |
|---|---|---|---|
| 0x01 | Read Coils | 读线圈 | 2000线圈 |
| 0x02 | Read Discrete Inputs | 读离散输入 | 2000输入 |
| 0x03 | Read Holding Registers | 读保持寄存器 | 125寄存器 |
| 0x04 | Read Input Registers | 读输入寄存器 | 125寄存器 |
| 0x05 | Write Single Coil | 写单个线圈 | 1线圈 |
| 0x06 | Write Single Register | 写单个寄存器 | 1寄存器 |
| 0x0F | Write Multiple Coils | 写多个线圈 | 1968线圈 |
| 0x10 | Write Multiple Registers | 写多个寄存器 | 123寄存器 |
Go Modbus库完整实现
完整的TCP客户端实现
package mainimport ("encoding/binary""fmt""log""time""github.com/goburrow/modbus"
)// ModbusClient 封装Modbus客户端
type ModbusClient struct {handler modbus.ClientHandlerclient modbus.Clientaddress stringslaveID byte
}// NewModbusTCPClient 创建TCP客户端
func NewModbusTCPClient(address string, slaveID byte, timeout time.Duration) (*ModbusClient, error) {handler := modbus.NewTCPClientHandler(address)handler.Timeout = timeouthandler.SlaveId = slaveIDhandler.Logger = &modbusLogger{}if err := handler.Connect(); err != nil {return nil, fmt.Errorf("连接失败: %v", err)}return &ModbusClient{handler: handler,client: modbus.NewClient(handler),address: address,slaveID: slaveID,}, nil
}// Close 关闭连接
func (m *ModbusClient) Close() {if m.handler != nil {m.handler.Close()}
}// 自定义日志记录器
type modbusLogger struct{}func (l *modbusLogger) Printf(format string, v ...interface{}) {log.Printf("[MODBUS] "+format, v...)
}// ReadHoldingRegistersWithRetry 带重试的读取保持寄存器
func (m *ModbusClient) ReadHoldingRegistersWithRetry(address, quantity uint16, retries int) ([]byte, error) {for i := 0; i < retries; i++ {results, err := m.client.ReadHoldingRegisters(address, quantity)if err == nil {return results, nil}log.Printf("第%d次读取尝试失败: %v", i+1, err)time.Sleep(time.Duration(i+1) * time.Second) // 指数退避}return nil, fmt.Errorf("经过%d次重试后读取失败", retries)
}// ReadFloat32 读取32位浮点数（两个寄存器）
func (m *ModbusClient) ReadFloat32(address uint16) (float32, error) {data, err := m.ReadHoldingRegistersWithRetry(address, 2, 3)if err != nil {return 0, err}// 将两个16位寄存器转换为32位浮点数uintValue := binary.BigEndian.Uint32(data)return float32frombits(uintValue), nil
}// float32frombits 将32位无符号整数转换为浮点数
func float32frombits(b uint32) float32 {return *(*float32)(unsafe.Pointer(&b))
}// WriteFloat32 写入32位浮点数
func (m *ModbusClient) WriteFloat32(address uint16, value float32) error {// 将浮点数转换为字节uintValue := *(*uint32)(unsafe.Pointer(&value))data := make([]byte, 4)binary.BigEndian.PutUint32(data, uintValue)_, err := m.client.WriteMultipleRegisters(address, 2, data)return err
}// ReadCoilsBatch 批量读取线圈状态
func (m *ModbusClient) ReadCoilsBatch(startAddress, quantity uint16) (map[uint16]bool, error) {results, err := m.client.ReadCoils(startAddress, quantity)if err != nil {return nil, err}coils := make(map[uint16]bool)for i := uint16(0); i < quantity; i++ {byteIndex := i / 8bitIndex := i % 8coils[startAddress+i] = (results[byteIndex] & (1 << bitIndex)) != 0}return coils, nil
}func main() {// 创建Modbus客户端client, err := NewModbusTCPClient("192.168.1.100:502", 1, 10*time.Second)if err != nil {log.Fatal(err)}defer client.Close()// 示例：读取温度值（浮点数）temperature, err := client.ReadFloat32(100)if err != nil {log.Fatal("读取温度失败:", err)}fmt.Printf("温度: %.2f°C\n", temperature)// 示例：读取线圈状态coils, err := client.ReadCoilsBatch(0, 16)if err != nil {log.Fatal("读取线圈失败:", err)}for addr, state := range coils {fmt.Printf("线圈 %d: %t\n", addr, state)}
}
RTU客户端增强实现
package mainimport ("log""time""github.com/goburrow/modbus"
)// ModbusRTUClient RTU客户端
type ModbusRTUClient struct {handler *modbus.RTUClientHandlerclient modbus.Client
}// NewModbusRTUClient 创建RTU客户端
func NewModbusRTUClient(port string, baudRate int, slaveID byte) (*ModbusRTUClient, error) {handler := modbus.NewRTUClientHandler(port)handler.BaudRate = baudRatehandler.DataBits = 8handler.Parity = "N"handler.StopBits = 1handler.SlaveId = slaveIDhandler.Timeout = 5 * time.Second// 设置串口参数handler.SerialPort = &serialPortConfig{ReadTimeout: 1 * time.Second,WriteTimeout: 1 * time.Second,}if err := handler.Connect(); err != nil {return nil, err}return &ModbusRTUClient{handler: handler,client: modbus.NewClient(handler),}, nil
}// 串口配置结构
type serialPortConfig struct {ReadTimeout time.DurationWriteTimeout time.Duration
}// ReadAllRegisters 读取所有类型的寄存器
func (m *ModbusRTUClient) ReadAllRegisters() map[string]interface{} {result := make(map[string]interface{})// 读取线圈if coils, err := m.client.ReadCoils(0, 16); err == nil {result["coils"] = coils}// 读取离散输入if inputs, err := m.client.ReadDiscreteInputs(0, 16); err == nil {result["discrete_inputs"] = inputs}// 读取输入寄存器if inputRegs, err := m.client.ReadInputRegisters(0, 10); err == nil {result["input_registers"] = inputRegs}// 读取保持寄存器if holdingRegs, err := m.client.ReadHoldingRegisters(0, 10); err == nil {result["holding_registers"] = holdingRegs}return result
}
高级应用示例
设备监控系统
// DeviceMonitor 设备监控器
type DeviceMonitor struct {clients map[string]*ModbusClientinterval time.DurationstopChan chan bool
}// NewDeviceMonitor 创建设备监控器
func NewDeviceMonitor(interval time.Duration) *DeviceMonitor {return &DeviceMonitor{clients: make(map[string]*ModbusClient),interval: interval,stopChan: make(chan bool),}
}// AddDevice 添加设备
func (dm *DeviceMonitor) AddDevice(name, address string, slaveID byte) error {client, err := NewModbusTCPClient(address, slaveID, 10*time.Second)if err != nil {return err}dm.clients[name] = clientreturn nil
}// StartMonitoring 开始监控
func (dm *DeviceMonitor) StartMonitoring() {ticker := time.NewTicker(dm.interval)defer ticker.Stop()for {select {case <-ticker.C:dm.readAllDevices()case <-dm.stopChan:return}}
}// readAllDevices 读取所有设备数据
func (dm *DeviceMonitor) readAllDevices() {for name, client := range dm.clients {go func(name string, client *ModbusClient) {// 读取设备数据if data, err := client.ReadHoldingRegistersWithRetry(0, 10, 3); err == nil {log.Printf("设备 %s 数据: %v", name, data)} else {log.Printf("设备 %s 读取失败: %v", name, err)}}(name, client)}
}// Stop 停止监控
func (dm *DeviceMonitor) Stop() {close(dm.stopChan)for _, client := range dm.clients {client.Close()}
}
调试与故障排除
常见问题及解决方案
-
连接超时
- 检查网络连接
- 确认设备地址和端口
- 检查防火墙设置
-
CRC校验错误
- 检查串口参数（波特率、数据位、停止位）
- 检查物理连接质量
-
从设备无响应
- 确认从设备地址正确
- 检查从设备是否在线
- 确认功能码支持
调试工具推荐
- Modbus Poll：Windows平台Modbus调试工具
- mbpoll：Linux命令行Modbus工具
- Wireshark：网络协议分析工具（支持Modbus TCP）
# 使用mbpoll测试Modbus设备
mbpoll -a 1 -b 9600 -t 3 -r 100 -c 5 /dev/ttyUSB0
通过本教程，您不仅学会了Go Modbus库的使用，还深入了解了Modbus协议的原理和实现细节。这些知识将帮助您更好地开发和调试工业自动化应用。
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