ModbusRTU通信报文分析—功能码03读取保持型寄存器学习笔记

写给初学者的话：
你是不是在调试Modbus设备时，看到一串十六进制数据（比如 03 03 00 05 00 02 D5 E8）就一头雾水？是不是搞不清“功能码03”、“起始地址”、“字节计数”这些词是什么意思？别担心！这篇笔记会从最基础的概念讲起，用生活化的比喻、清晰的表格和详细的步骤，带你彻底搞懂Modbus RTU协议中功能码03——读取保持型寄存器的完整过程。记住，功能码03就像一个“数字值查询器”，专门用来查看设备里存储的温度、压力、速度等具体数值。这篇笔记内容超详细，字数很多，但每一句都是为你量身打造，慢慢看，一定能学会！

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1️⃣ 核心思想：功能码03 = 查询数字值

在前面的笔记中，我们已经学习了：

• 功能码01：读取输出线圈 → 查询开关状态（开/关）
• 功能码02：读取输入线圈 → 查询传感器状态（触发/未触发）

现在，我们进入更高级的数据类型——寄存器 (Register)。

🔹 什么是“保持型寄存器”？

• 保持型寄存器 (Holding Register)：是设备内部用于存储“数字值”的内存区域。
• 它可以存储16位整数（范围：0 ~ 65535），也可以存储有符号整数（范围：-32768 ~ 32767），甚至可以组合成32位浮点数。
• 在Modbus协议中，它对应的是 4区（输出寄存器区），但功能码03是用来“读取”它的，所以也叫“保持型寄存器”。

✅ 一句话总结：
功能码03 = 我要查一个或多个数字值，比如温度、压力、速度、计数值等。

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2️⃣ 功能码03的发送报文结构

图中给出了发送报文的结构：

✅ 发送报文 = 从站地址 + 03 + 起始寄存器地址 + 寄存器数量 + CRC16校验

我们来逐一分解每一个部分。

🔹 第一部分：从站地址（Slave Address）

• 这是报文的第一字节，用来指定这封“电报”是发给哪个设备的。
• 取值范围：1 ~ 255（十进制）
• 实际应用中，常用的地址是 1 ~ 247。

✅ 一句话总结：
从站地址 = 收件人地址，告诉设备“这封信是给你的”。

🔹 第二部分：功能码 03

• 这是报文的第二字节，固定为 03。
• 它告诉从站：“我要读取保持型寄存器的值”。

✅ 一句话总结：
功能码03 = 我要查数字值。

🔹 第三部分：起始寄存器地址（Starting Register Address）

• 这是报文的第三和第四字节，用来指定从哪个地址开始读取。
• 它是一个16位无符号整数，由高字节+低字节组成。
• 地址是从 0 开始计数的（相对地址），而不是从 1 开始。

🧩 举例说明

你想从地址 40006 开始读取（也就是第6个保持型寄存器）：

• 相对地址 = 5（因为地址从1开始，偏移量从0开始）
• 所以，起始地址 = 00 05（高字节=00，低字节=05）

💡 记忆口诀：
“绝对地址 - 1 = 相对地址”
比如：40001 → 0；40005 → 4；40006 → 5

🔹 第四部分：寄存器数量（Register Quantity）

• 这是报文的第五和第六字节，用来指定你要读取多少个寄存器。
• 它也是一个16位无符号整数，由高字节+低字节组成。
• 最大可以读取 125 个寄存器（协议限制）。

🧩 举例说明

你想读取2个寄存器：

• 寄存器数量 = 2（十进制）
• 十六进制 = 00 02（高字节=00，低字节=02）

✅ 一句话总结：
寄存器数量 = 我要查几个数字值。

🔹 第五部分：CRC16校验（Cyclic Redundancy Check）

• 这是报文的最后两个字节，用来保证报文的准确性和完整性。
• 如果在传输过程中数据被干扰或篡改，校验码就会不匹配，接收方会丢弃这个报文。
• CRC16校验码是根据前面所有字节（从站地址到寄存器数量）计算出来的。

✅ 一句话总结：
CRC16校验 = 数据的“验证码”，确保报文在传输过程中没有出错。

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3️⃣ 功能码03的接收报文结构

图中也给出了接收报文的结构：

✅ 接收报文 = 从站地址 + 03 + 字节计数 + 具体数据 + CRC16校验

我们来逐一分解每一个部分。

🔹 第一部分：从站地址（Slave Address）

• 这是报文的第一字节，与发送报文中的从站地址相同。
• 它告诉主站：“这是谁回复的”。

✅ 一句话总结：
从站地址 = 回复人地址，告诉主站“这是我回复的”。

🔹 第二部分：功能码 03

• 这是报文的第二字节，固定为 03。
• 它告诉主站：“我正在回复你关于保持型寄存器的查询”。

✅ 一句话总结：
功能码03 = 我在回复数字值。

🔹 第三部分：字节计数（Byte Count）

• 这是报文的第三字节，用来指定后面“具体数据”部分有多少个字节。
• 它是一个8位无符号整数，最大值是 255。
• 因为每个寄存器占2个字节（16位），所以字节计数 = 寄存器数量 * 2。

🧩 举例说明

你请求读取2个寄存器：

• 2个寄存器需要多少字节？
  • 每个寄存器占2个字节 → 2 * 2 = 4字节
• 所以，字节计数 = 04

✅ 一句话总结：
字节计数 = 寄存器数量 * 2

🔹 第四部分：具体数据（Data）

• 这是报文的第四字节及以后，用来存放实际的寄存器值。
• 每个寄存器占2个字节（16位），由高字节+低字节组成。
• 数据的顺序是从左到右，第一个寄存器在前，第二个寄存器在后。

🧩 举例说明

假设你读取了2个寄存器，它们的值分别是：

寄存器编号	1	2
值	25000	100

那么，具体数据应该如何排列？

• 第1个寄存器：25000 → 十六进制 61 A8（高字节=61，低字节=A8）
• 第2个寄存器：100 → 十六进制 00 64（高字节=00，低字节=64）

因此，具体数据 = 61 A8 00 64

💡 重要提醒：
在Modbus协议中，数据的字节序是 大端序 (Big-Endian)！也就是说，高字节在前，低字节在后。

所以，正确的排列应该是：

• 寄存器1 → 高字节 61 + 低字节 A8
• 寄存器2 → 高字节 00 + 低字节 64

🔹 第五部分：CRC16校验

• 这是报文的最后两个字节，用来保证报文的准确性和完整性。
• CRC16校验码是根据前面所有字节（从站地址到具体数据）计算出来的。

✅ 一句话总结：
CRC16校验 = 数据的“验证码”，确保报文在传输过程中没有出错。

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4️⃣ 完整案例解析：读取3号从站从5开始的2个寄存器

图中给出了一个完整的案例：

发送报文：03 03 00 05 00 02 D5 E8
接收报文：03 03 04 00 64 00 C8 99 BA

下面我们来一步一步解析这个案例。

📌 步骤1：发送报文解析

发送报文 = 03 03 00 05 00 02 D5 E8

部分	字节位置	内容	说明
从站地址	第1字节	03	发送给设备3
功能码	第2字节	03	读取保持型寄存器
起始地址	第3-4字节	00 05	从地址5开始（即40006）
寄存器数量	第5-6字节	00 02	读取2个寄存器
CRC16校验	第7-8字节	D5 E8	CRC16校验码

✅ 发送报文含义：
“设备3，请告诉我从地址5开始的2个保持型寄存器的值。”

📌 步骤2：接收报文解析

接收报文 = 03 03 04 00 64 00 C8 99 BA

部分	字节位置	内容	说明
从站地址	第1字节	03	设备3回复的
功能码	第2字节	03	回复的是保持型寄存器值
字节计数	第3字节	04	数据部分有4个字节
具体数据	第4-7字节	00 64 00 C8	寄存器值数据
CRC16校验	第8-9字节	99 BA	CRC16校验码

✅ 接收报文含义：
“设备3回复：从地址5开始的2个保持型寄存器的值是 00 64 00 C8。”

📌 步骤3：解析具体数据 00 64 00 C8

现在，我们要把 00 64 00 C8 转换成2个寄存器的值。

🧮 第一步：按寄存器拆分数据

• 第1个寄存器：00 64 → 高字节=00，低字节=64
• 第2个寄存器：00 C8 → 高字节=00，低字节=C8

🧮 第二步：将十六进制转换成十进制

• 第1个寄存器：00 64 → 十进制 = 0 * 256 + 100 = 100
• 第2个寄存器：00 C8 → 十进制 = 0 * 256 + 200 = 200

✅ 最终结果：

寄存器编号	1	2
值	100	200

🎉 恭喜你！你已经成功解析了功能码03的接收报文！

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5️⃣ 常见问题与避坑指南

❓ 问题1：为什么我发送的报文没有响应？

• 可能原因：
  1. 从站地址错误 → 检查设备地址是否正确。
  2. 功能码错误 → 检查功能码是否为 03。
  3. 起始地址错误 → 检查地址是否从 0 开始。
  4. 寄存器数量错误 → 检查数量是否在 1 ~ 125 之间。
  5. 校验码错误 → 使用正确的CRC16算法计算校验码。
  6. 通信参数错误 → 检查波特率、数据位、停止位、校验位是否一致。

❓ 问题2：为什么接收报文中的字节计数是4，而我只读了2个寄存器？

• 原因：因为每个寄存器占2个字节，2个寄存器就是4个字节。
• 字节计数 = 寄存器数量 * 2 = 2 * 2 = 4

✅ 一句话总结：
字节计数 = 寄存器数量 * 2

❓ 问题3：如何手动计算CRC16校验码？

• 不要手动计算！ 使用Modbus调试软件或编程库（如Python的pymodbus）自动生成。
• 如果你一定要手动计算，可以使用在线CRC计算器，选择“Modbus RTU CRC16”。

❓ 问题4：寄存器值是负数怎么办？

• Modbus寄存器默认是无符号整数（0 ~ 65535）。
• 如果你需要表示负数，通常使用有符号整数（补码表示）。
• 例如：65535（无符号） = -1（有符号）
• 你需要在软件中设置“数据类型”为“有符号16位整数”。

✅ 一句话总结：
寄存器值可以是有符号或无符号，取决于你的应用需求。

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6️⃣ 实战模拟：手把手教你构造和解析报文

假设你现在有一个任务：

“我要读取设备 01 的保持型寄存器，从地址 40001 开始，读取1个寄存器。”

📌 步骤1：构造发送报文

1. 从站地址 = 01
2. 功能码 = 03
3. 起始地址 = 00 00（相对地址0）
4. 寄存器数量 = 00 01（读取1个寄存器）
5. CRC16校验 = 84 0A（由软件自动计算）

发送报文 = 01 03 00 00 00 01 84 0A

📌 步骤2：假设接收报文

假设设备回复：

接收报文 = 01 03 02 00 64 8C 4B

📌 步骤3：解析接收报文

1. 从站地址 = 01 → 设备1回复的
2. 功能码 = 03 → 回复的是保持型寄存器值
3. 字节计数 = 02 → 数据部分有2个字节
4. 具体数据 = 00 64 → 第1个寄存器值
5. CRC16校验 = 8C 4B → 校验通过

📌 步骤4：解析具体数据 00 64

• 00 64 → 高字节=00，低字节=64
• 十进制 = 0 * 256 + 100 = 100

✅ 最终结果：第1个寄存器的值是 100！

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🎯 下一步学习建议

1. 动手实践：使用Modbus调试软件（如Modbus Poll, QModBus），输入不同的地址、寄存器数量，观察返回结果。
2. 学习其他功能码：功能码04（读取输入寄存器）、06（写入单个寄存器）、10（写入多个寄存器）等，它们的结构类似，只是操作对象不同。
3. 阅读设备手册：任何Modbus设备都会在手册中列出支持的功能码、地址范围和通信参数，一定要学会看手册！
4. 学习数据类型转换：了解如何将16位寄存器值转换成32位浮点数、有符号整数等。