Modbus协议（一）

Modbus协议

概述

Modbus诞生于1979年，莫迪康Modicon公司(传闻是发明了第一台PLC的公司，后被施耐德电气公司收购)，目前是工业领域应用最广泛的通信协议。
Modbus之所以使用广泛，主要原因是：
Modbus协议标准开放、无专利保护，任何厂商都可以用
Modbus协议支持多种电气接口，包括RS232、RS485、TCP/IP等，还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、红外、无线等
Modbus协议消息帧格式简单、紧凑、通俗易懂。用户理解和使用简单，厂商容易开发和集成，方便形成工业控制网络
Modbus协议数据模型统一，通过预定义寄存器地址读写数据
Modbus协议是一种应用层报文传输协议，协议本身并没有定义物理层，而是定义了控制器能够认识和使用的消息结构，这就使得它可以在不同的物理层上实现设备和设备之间的通信。下表是Modbus协议在不同物理层应用举例。

Modbus 协议类型	通信方式	物理层标准	线缆类型	接口/接头	最大传输距离	设备示例	应用场景举例
Modbus RTU	串行通信	RS-485	双绞屏蔽电缆（如：RVSP）	DB9、RJ45、端子排	1200 米（RS-485）	PLC、变频器、传感器、仪表等	工厂自动化、楼宇控制、产线设备
Modbus ASCII	串行通信	RS-232 / RS-485	普通双绞线或屏蔽线	DB9、RJ45、端子排	RS-232: 15米 RS-485: 1200米	调试工具、老式设备	调试、低速通信、简单人机交互
Modbus TCP	以太网通信	TCP/IP over Ethernet	标准网线（Cat5e / Cat6）	RJ45	100 米（单段） 可扩展	HMI、SCADA、服务器、工业交换机	工业以太网、远程监控、数据采集系统
Modbus UDP	以太网通信	UDP/IP	标准网线（Cat5e / Cat6）	RJ45	同TCP/IP	实时控制系统、运动控制设备	对实时性要求高、容忍少量丢包的控制系统

其中在工业上最常见的就是ModbusRTU和ModbusTCP,一个是使用双绞线走RS485协议标准，一个是使用标准网线走TCP/IP协议标准。

数据模型

Modbus 定义了四种主要的数据区（寄存器类型），具体根据不同的通信对象（设备），会对应到PLC、变频器、智能仪表等内部的存储区，具体需要查看PLC、变频器、智能仪表的对应说明：

类型	可读/可写	描述
线圈（Coils）	读/写	开关量输出（0x 寄存器）
离散输入（Discrete Inputs）	只读	开关量输入（1x 寄存器）
输入寄存器（Input Registers）	只读	模拟量输入（3x 寄存器）
保持寄存器（Holding Registers）	读/写	模拟量输出（4x 寄存器）

功能码

协议通过功能码结合设备地址+数据区地址实现对设备存储信息的读写。功能码如下表所示：

功能码（十进制）	功能码（十六进制）	名称	操作类型	操作对象	Modbus地址范围	数据类型	最大支持数量
1	0x01	读线圈状态	读	线圈（Coils）	00001-09999	位（Bit）	2000
2	0x02	读离散输入	读	离散输入（Discrete Inputs）	10001-19999	位（Bit）	2000
3	0x03	读保持寄存器	读	保持寄存器（Holding Registers）	40001-49999	字（Word）	125
4	0x04	读输入寄存器	读	输入寄存器（Input Registers）	30001-39999	字（Word）	125
5	0x05	写单线圈	写	单个线圈	00001-09999	位（Bit）	1
6	0x06	写单个寄存器	写	单个保持寄存器	40001-49999	字（Word）	1
15	0x0F	写多个线圈	写	多个线圈	00001-09999	位（Bit）	1968
16	0x10	写多个寄存器	写	多个保持寄存器	40001-49999	字（Word）	123
22	0x16	屏蔽写寄存器	写	保持寄存器（位操作）	40001-49999	字（位掩码）	1
23	0x17	读/写多个寄存器	读写混合	保持寄存器	40001-49999	字（Word）	121/121

异常功能码

所有异常响应 = 功能码 + 0x80（如 0x03 → 0x83）

异常码	名称	说明
0x01	非法功能码	设备不支持该功能
0x02	非法数据地址	请求地址超出设备范围
0x03	非法数据值	数据域值无效
0x04	从站设备故障	设备执行失败
0x05	确认	设备已接收但需长时间处理
0x06	从站设备忙	设备暂时无法响应
0x07	存储奇偶错误	设备存储器校验失败
0x08	不可用网关路径	网关无法分配请求路径
0x0A	网关目标设备无响应	网关无法获取从站响应

关键说明

1. 地址映射规则：

   • 所有Modbus地址在协议中转换为0-based地址（如40001 → 0x0000）
   • 部分设备需要偏移（如40001 → 0x0001）

2. 数据打包规则：

   • 位操作：8位/字节（LSB优先）
   • 字操作：大端序（高位在前）

3. 数量限制：

   • 读操作最大数量受协议限制（位操作2000，字操作125）
   • 写操作数量受设备内存限制

4. 混合操作：

   • FC23（0x17）可同时读写寄存器，提升通信效率

ModbusRTU

01ModbusRTU读取线圈状态（多个位）

样例1

ModbusRTU协议按照下列模式发送报文

地址	功能码	起始地址高位	起始地址低位	读取线圈数量高位	读取线圈数量低位	CRC16 校验码
0x01	0x01	0x00	0x00	0x00	0x05	0xFC 0x09

代表读取从站地址1的设备，地址从0开始的5个线圈的状态。
使用串口调试软件以Hex格式发送

010100000005FC09

收到反馈

01 01 01 0A D1 8F 

代表

字段	地址	功能码	接下来的数据部分字节数	十六进制的线圈状态	CRC16校验
值	01	01	01	0A	D1 8F
含义	从站1	读线圈	接下来的数据有1字节	0A=00001010：线圈2``4为ON	CRC校验

样例2

再试一次，读取多一点线圈数据。
发送

01 01 00 00 00 20 3D D2

收到响应

01 01 04 8A 10 02 00 D1 6C

分别代表，发送

地址	功能码	起始地址高位 起始地址低位	读取线圈数量高位 读取线圈数量低位	CRC16 校验码
0x01	0x01	0x00 0x00	0x00 0x20	0x3D 0xD2
从站1	读多个线圈	从0号线圈开始	读十六进制的20个=16*2=30个线圈的值	CRC16校验

收到响应解释

字段	从站地址	功能码	字节数	数据1	数据2	数据3	数据4	CRC 校验
值	01	01	04	8A	10	02	00	D16C
含义（高位在前）	从站地址为 1	读线圈（Read Coils）	接下来的数据有 4 个字节（共 32 位）	8A：10001010	10：00010000	02：00000010	00：00000000	CRC16 校验码（两个字节）

线圈状态解析（按顺序）

线圈地址	0	1	2	3	4	5	6	7
状态	OFF	ON	OFF	ON	OFF	OFF	OFF	ON
线圈地址	8	9	10	11	12	13	14	15
状态	OFF	OFF	OFF	OFF	ON	OFF	OFF	OFF
线圈地址	16	17	18	19	20	21	22	23
状态	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF	ON	OFF
线圈地址	24	25	26	27	28	29	30	31
状态	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF

串口调试软件截图

ModSim43截图

02ModbusRTU读取离散输入状态

报文格式与01读线圈类似

样例

地址	功能码	起始地址高位 起始地址低位	读取输入点数量高位 读取输入点数量低位	CRC16 校验码
0x01	0x02	0x00 0x00	0x00 0x05	0xB8 0x09
从站1	读输入	起始输入地址0	读取5个	CRC16校验

使用串口调试助手发送

010200000005B809

收到响应
``·bash
01 02 01 09 61 8E
···

收到响应解释

字段	从站地址	功能码	字节数	数据	CRC 校验
值	01	02	01	09	61 8E
含义（高位在前）	从站地址为 1	读离散输入（ Discrete Inputs ）	接下来的数据有 41个字节（共8位）	09：00001001	CRC16 校验码（两个字节）

输入地址	0	1	2	3	4	5	6	7
状态	ON	OFF	OFF	ON	OFF	OFF	OFF	OFF

串口调试软件截图

ModSim截图

由于发送的读取输入报文是读5个输入点的信号，所以可以看到，即使ModSim的输入6、7位都是ON，但收到的代表输入状态的值仍是09也就是00001001(LSB first 最低有效位在前）。

这里有一点需要注意，ModSim的寄存器或线圈的地址都是从1开始计数，而使用ModbusRTU读写命令的地址是从0开始，这一点需要进行匹配。也就是Modbus命令寄存器地址n对应Modsim的寄存器地址n+1。