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modbus 协议介绍

62
AI 生成的摘要
本文讨论了MODBUS协议的结构和功能，指出了官方文档的不足，并提供了重新整理的信息。主要内容包括： 1. **协议特性**：描述了RTU和TCP的整体帧结构，包括报文头、地址域、功能码、数据域和校验域的详细信息。 2. **寄存器属性**：列出了不同寄存器类型（线圈、离散输入寄存器、保持寄存器、输入寄存器）的读写属性和位数。 3. **RTU系列命令**：详细介绍了主机请求和从机响应的格式，包括读线圈、读离散输入寄存器、读保持寄存器和读输入寄存器的具体示例。 4. **示例**：提供了具体的请求和响应示例，展示了如何读取不同地址的数据。 整体上，文章旨在为MODBUS协议的理解和实现提供清晰的框架和实用的示例。

参考资料#

各博客网站都是缺章少句，排版混乱，偶有错误，不建议参考。

这里有 modbus 中文网的资料

MODBUS 协议中文版 / 英文版预览及下载 | Modbus 物联网云平台

更权威的是官方文档

MODBUS Application Protocol 1 1 b

以及官方其他文档，在这里寻找

Modbus 规格和实施指南

当然官方文档我也不是很满意，为了保持他们的远古设计架构，各个帧段的介绍不直观了，同时还有少量笔误。

image

下面有自己重写的有效信息。

另外有我自己实现的库

stbanana/modbusX: modbus protocol support (github.com)

协议特性#

整体帧结构#

报文头地址域功能码数据域校验域
RTU1 字节 (从机 ID)1 字节n 字节不定2 字节 (对其他所有内容 CRC-MB16)
TCP6 字节
(2 字节事务号 +
2 字节协议标识 - 就是全 0+
2 字节后续字节总长 - 包括从机 ID)		1 字节 (从机 ID)1 字节n 字节不定

关于报文头，在官方文档的总体模型中划分到地址域的，但实际上的字节总长又包括从机 ID。大概是早期只有串口协议时，整体模型已经定下了，新加的 modbusTCP 只能为了兼容乱搞，

我这里直接重新归类好了，不标准，但我乐意。

寄存器属性#

RW 属性bit 位数
线圈 (0x01)可读写1 位 bit
离散输入寄存器 (0x02)只读1 位 bit
保持寄存器 (0x03)可读写16 位 bit
输入寄存器 (0x04)只读16 位 bit

整体模型#

使用软件抽象一个内存结构，每个地址存有不同意义的数据，和 FPGA 模拟 SRAM 是一个道理。不过每个寄存器地址不都是 16 位，也可以是 1 位。属性是 RO\RW。

RTU 系列#

(0x01) 读线圈#

主机请求#

地址域功能码起始地址线圈数量校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码字节数线圈状态校验域
1 字节1 字节1 字节 (计算线圈状态部分的字节数)n 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求读 20~38 地址的线圈数据，总之回复地址是由低到高，最终字节不齐在高位填 0。

[!NOTE]

最终的输出状态 38-36 回复字节，用零填充 5 个剩余 bit（一直到高位端）。

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x01功能码0x01
起始地址高 8 位0x00字节数0x03
起始地址低 8 位0x13输出状态 27-200xCD
输出数量高 8 位0x00输出状态 35-280x6B
输出数量低 8 位0x13输出状态 38-360x05
校验 CRC 低 8 位0xA9校验 CRC 低 8 位0x42
校验 CRC 高 8 位0xC8校验 CRC 高 8 位0x82

(0x02) 读离散输入寄存器#

主机请求#

地址域功能码起始地址离散输入数量校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码字节数离散输入状态校验域
1 字节1 字节1 字节 (计算离散输入状态部分的字节数)n 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求读 197~218 地址的离散输入寄存器数据，总之回复地址是由低到高，最终字节不齐在高位填 0。

[!NOTE]

最终的输入状态 218-213 回复字节，用零填充 2 个剩余 bit（一直到高位端）。

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x02功能码0x02
起始地址高 8 位0x00字节数0x03
起始地址低 8 位0xC4输入状态 204-1970xAC
输出数量高 8 位0x00输入状态 212-2050xDB
输出数量低 8 位0x16输入状态 218-2130x35
校验 CRC 低 8 位0xB8校验 CRC 低 8 位0x22
校验 CRC 高 8 位0x39校验 CRC 高 8 位0x88

(0x03) 读保持寄存器#

主机请求#

地址域功能码起始地址保持寄存器数量校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码字节数保持寄存器状态校验域
1 字节1 字节1 字节 (计算保持寄存器状态部分的字节数)n 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求读 108~110 地址的保持寄存器数据

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x03功能码0x03
起始地址高 8 位0x00字节数0x06
起始地址低 8 位0x6B寄存器值高八位（108）0x02
寄存器数量高 8 位0x00寄存器值低八位（108）0x2B
寄存器数量低 8 位0x03寄存器值高八位（109）0x00
校验 CRC 低 8 位0x74寄存器值低八位（109）0x00
校验 CRC 高 8 位0x17寄存器值高八位（110）0x00
寄存器值低八位（110）0x64
校验 CRC 低 8 位0x05
校验 CRC 高 8 位0x7A

(0x04) 读输入寄存器#

主机请求#

地址域功能码起始地址输入寄存器数量校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码字节数输入寄存器状态校验域
1 字节1 字节1 字节 (计算输入寄存器状态部分的字节数)n 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求读 9~10 地址的保持寄存器数据

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x04功能码0x04
起始地址高 8 位0x00字节数0x06
起始地址低 8 位0x6B寄存器值高八位（9）0x02
寄存器地址高 8 位0x00寄存器值低八位（9）0x2B
寄存器地址低 8 位0x03寄存器值高八位（10）0x00
校验 CRC 低 8 位0xC1寄存器值低八位（10）0x00
校验 CRC 高 8 位0xD7校验 CRC 低 8 位0xF3
校验 CRC 高 8 位0xF4

(0x05) 写单个线圈#

[!NOTE]

写单个线圈，输出值部分仅允许 FF 00 表示 ON、00 00 表示 OFF，其他值都不合法

主机请求#

地址域功能码输出地址输出值校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码地址输出值校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求写 173 地址的线圈数据为 ON

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x05功能码0x05
寄存器地址高 8 位0x00寄存器地址高 8 位0x00
寄存器地址低 8 位0xAC寄存器地址低 8 位0xAC
寄存器值高 8 位0xFF寄存器值高 8 位0xFF
寄存器值低 8 位0x00寄存器值低 8 位0x00
校验 CRC 低 8 位0x4C校验 CRC 低 8 位0x4C
校验 CRC 高 8 位0x1B校验 CRC 高 8 位0x1B

(0x06) 写单个保持寄存器#

主机请求#

地址域功能码保持寄存器地址寄存器值校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码保持寄存器地址寄存器值校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求写 2 地址的保持寄存器数据为 0x0003

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x06功能码0x06
寄存器地址高 8 位0x00寄存器地址高 8 位0x00
寄存器地址低 8 位0x02寄存器地址低 8 位0x02
寄存器值高 8 位0x00寄存器值高 8 位0x00
寄存器值低 8 位0x03寄存器值低 8 位0x03
校验 CRC 低 8 位0x2C校验 CRC 低 8 位0x2C
校验 CRC 高 8 位0x0B校验 CRC 高 8 位0x0B

(0x0F) 写多个线圈#

主机请求#

地址域功能码起始地址设置数量字节数设置值校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节1 字节 (计算设置值部分的字节数)n 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码起始地址设置数量校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求写 20 地址开始的 10 个线圈

[!NOTE]

共需写入 2 字节 (16bit)，用零填充 6 个剩余 bit（一直到高位端）。

线圈地址2726252423222120——————2928
对应值1100110100000001

依据规范填充后，实际设置值段应当是 0xCD 0x01

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x0F功能码0x0F
起始地址高 8 位0x00起始地址高 8 位0x00
起始地址低 8 位0x13起始地址低 8 位0x13
设置数量高 8 位0x00设置数量高 8 位0x00
设置数量低 8 位0x0A设置数量低 8 位0x0A
字节数0x02校验 CRC 低 8 位0x24
设置值 (27~20 地址)0xCD校验 CRC 高 8 位0x09
设置值 (29~28 地址)0x01
校验 CRC 低 8 位0x72
校验 CRC 高 8 位0xCB

(0x10) 写多个保持寄存器#

主机请求#

地址域功能码起始地址设置数量字节数设置值校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节1 字节 (计算设置值部分的字节数)n 字节2 字节 (CRC-MB16)

从机响应#

地址域功能码起始地址设置数量校验域
1 字节1 字节2 字节2 字节2 字节 (CRC-MB16)

示例#

请求写 34 地址开始的 4 个保持寄存器

请求响应
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x10功能码0x10
起始地址高 8 位0x00起始地址高 8 位0x00
起始地址低 8 位0x22起始地址低 8 位0x22
设置数量高 8 位0x00设置数量高 8 位0x00
设置数量低 8 位0x04设置数量低 8 位0x04
字节数0x08校验 CRC 低 8 位0x61
设置值高 8 位 (34 地址)0x00校验 CRC 高 8 位0xC0
设置值低 8 位 (34 地址)0x40
设置值高 8 位 (35 地址)0x00
设置值低 8 位 (35 地址)0x24
设置值高 8 位 (36 地址)0x00
设置值低 8 位 (36 地址)0x01
设置值高 8 位 (37 地址)0xBF
设置值低 8 位 (37 地址)0x52
校验 CRC 低 8 位0x5F
校验 CRC 高 8 位0xCC

异常响应帧#

地址域功能码异常码校验域
1 字节1 字节 (功能码 + 0x80)1 字节2 字节 (CRC-MB16)
异常码名称含义
0x01非法功能码接收到的请求指令功能码是不可允许的操作。可能是功能码在其中不被支持，也可能是其正处于错误状态中处理请求。
0x02非法数据地址询问中接收到的数据地址是不可允许的地址。特别是，起始地址和传输长度的组合是无效的。对于带有 100 个寄存器的控制器来说，带有起始地址 96 和长度 4 的请求会成功，带有起始地址 96 和长度 5 的请求将产生异常码 0x02。
0x03非法数据值实际上是数据段非法的意思。例如非法数据段长度，或者写入或者读取的寄存器数量和数据段不匹配。注意的是，这并不代表寄存器被写入一个期望范围以外的值、实际写入失败 (这种情况是 0x04)。
0x04从站设备故障当服务器 (或从站)，对寄存器执行请求的操作时出现差错，例如寄存器被写入一个期望范围以外的值等。
0x05确认其实并非错误，而是收到长耗时指令，表明已收到并开始处理.
0x06从属设备忙正在处理耗时命令在忙。(当从机空闲后，应当重发引起此错误的请求)
0x08存储奇偶性差错设法读取记录文件，但是在存储器中发现一个奇偶校验错误。
0x0A不可用网关路径与网关一起使用，指示网关不能为处理请求分配输入端口至输出端口的内部通信路径。通常意味着网关是错误配置的或过载的。
0x0B网关目标设备响应失败与网关一起使用，指示没有从目标设备中获得响应。通常意味着设备未在网络中。

TCP 系列#

总之 modbusTCP 相比于 RTU 只是包装了前面的报文头，同时去除了 CRC 校验👍。== 因为 TCP 管理层的链路传输已经很稳健了，而串口传输是不稳健的 ==

报文头中的事务号会在主机 (TCP 客户端) 发起请求时不断累加，从机 (TCP 服务器端) 响应请求会回复相同的事务号表示处理的是什么请求。所以 modbusTCP 是天生支持多帧连发的，主机不会因此误解回复👍。

个人是更喜欢这样流畅的通信协议的。|| 信息准确性什么的交给物理链路层就好了，大雾大雾，校验还是有必要的 ||

(0x01) 读线圈#

主机请求#

事务号协议标识字节总长地址域功能码起始地址线圈数量
2 字节2 字节 (全 0)2 字节 (后续字节总长)1 字节1 字节2 字节2 字节

从机响应#

事务号协议标识字节总长地址域功能码字节数线圈状态
2 字节2 字节 (全 0)2 字节 (后续字节总长)1 字节1 字节1 字节 (计算线圈状态部分的字节数)n 字节

示例#

请求读 20~38 地址的线圈数据，总之回复地址是由低到高，最终字节不齐在高位填 0。

[!NOTE]

最终的输出状态 38-36 回复字节，用零填充 5 个剩余 bit（一直到高位端）。

请求响应
事务号高 8 位0x00事务号高 8 位0x00
事务号低 8 位0x01事务号低 8 位0x01
协议标识 16 位 (全 0)0x00 0x00协议标识 16 位 (全 0)0x00 0x00
字节总长高 8 位0x00字节总长高 8 位0x00
字节总长低 8 位0x06字节总长低 8 位0x06
地址域 (从机 ID)0x01地址域 (从机 ID)0x01
功能码0x01功能码0x01
起始地址高 8 位0x00字节数0x03
起始地址低 8 位0x13输出状态 27-200xCD
输出数量高 8 位0x00输出状态 35-280x6B
输出数量低 8 位0x13输出状态 38-360x05

其他协议不赘述了

其他协议不赘述了

总之 modbusTCP 相比于 RTU 只是包装了前面的报文头，同时去除了 CRC 校验👍。

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