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modbus 協議介紹

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AI 生成的摘要
各博客網站的資料不完整且排版混亂，不建議參考。推薦使用 MODBUS 中文網和官方文檔作為資料來源，雖然官方文檔也存在一些不直觀的地方和錯誤。本文提供了對 MODBUS 協議的重新整理和實現的庫。 ### 協議特性 #### 整體帧結構 - **RTU**: 包含報文頭、地址域、功能碼、數據域和校驗域。 - **TCP**: 包含事務號、協議標識、後續字節總長、地址域、功能碼、數據域。 #### 寄存器屬性 - 線圈 (0x01): 可讀寫，1位 - 離散輸入寄存器 (0x02): 只讀，1位 - 保持寄存器 (0x03): 可讀寫，16位 - 輸入寄存器 (0x04): 只讀，16位 ### RTU 系列請求示例 1. **讀線圈**: 主機請求和從機響應的格式示例。 2. **讀離散輸入寄存器**: 主機請求和從機響應的格式示例。 3. **讀保持寄存器**: 主機請求和從機響應的格式示例。 4. **讀輸入寄存器**: 主機請求和從機響應的格式示例。 每個請求和響應都包含地址域、功能碼、數據和校驗域，並提供了具體的請求和響應示例。

參考資料#

各博客網站都是缺章少句，排版混亂，偶有錯誤，不建議參考。

這裡有 modbus 中文網的資料

MODBUS 協議中文版 / 英文版預覽及下載 | Modbus 物聯網雲平台

更權威的是官方文檔

MODBUS Application Protocol 1 1 b

以及官方其他文檔，在這裡尋找

Modbus 規格和實施指南

當然官方文檔我也不是很滿意，為了保持他們的遠古設計架構，各個幀段的介紹不直觀了，同時還有少量筆誤。

image

下面有自己重寫的有效信息。

另外有我自己實現的庫

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

協議特性#

整體幀結構#

報文頭地址域功能碼數據域校驗域
RTU1 字節 (從機 ID)1 字節n 字節不定2 字節 (對其他所有內容 CRC-MB16)
TCP6 字節
(2 字節事務號 +
2 字節協議標識 - 就是全 0+
2 字節後續字節總長 - 包括從機 ID)		1 字節 (從機 ID)1 字節n 字節不定

關於報文頭，在官方文檔的總體模型中劃分到地址域的，但實際上的字節總長又包括從機 ID。大概是早期只有串口協議時，整體模型已經定下了，新加的 modbusTCP 只能為了兼容亂搞，

我這裡直接重新歸類好了，不標準，但我樂意。

寄存器屬性#

RW 屬性bit 位數
線圈 (0x01)可讀寫1 位 bit
離散輸入寄存器 (0x02)只讀1 位 bit
保持寄存器 (0x03)可讀寫16 位 bit
輸入寄存器 (0x04)只讀16 位 bit

整體模型#

使用軟件抽象一個內存結構，每個地址存有不同意義的數據，和 FPGA 模擬 SRAM 是一個道理。不過每個寄存器地址不都是 16 位，也可以是 1 位。屬性是 RO\RW。

RTU 系列#

(0x01) 讀線圈#

主機請求#

地址域功能碼起始地址線圈數量校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼字節數線圈狀態校驗域
1 字節1 字節1 字節 (計算線圈狀態部分的字節數)n 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求讀 20~38 地址的線圈數據，總之回覆地址是由低到高，最終字節不齊在高位填 0。

[!NOTE]

最終的輸出狀態 38-36 回覆字節，用零填充 5 個剩餘 bit（一直到高位端）。

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x01功能碼0x01
起始地址高 8 位0x00字節數0x03
起始地址低 8 位0x13輸出狀態 27-200xCD
輸出數量高 8 位0x00輸出狀態 35-280x6B
輸出數量低 8 位0x13輸出狀態 38-360x05
校驗 CRC 低 8 位0xA9校驗 CRC 低 8 位0x42
校驗 CRC 高 8 位0xC8校驗 CRC 高 8 位0x82

(0x02) 讀離散輸入寄存器#

主機請求#

地址域功能碼起始地址離散輸入數量校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼字節數離散輸入狀態校驗域
1 字節1 字節1 字節 (計算離散輸入狀態部分的字節數)n 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求讀 197~218 地址的離散輸入寄存器數據，總之回覆地址是由低到高，最終字節不齊在高位填 0。

[!NOTE]

最終的輸入狀態 218-213 回覆字節，用零填充 2 個剩餘 bit（一直到高位端）。

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x02功能碼0x02
起始地址高 8 位0x00字節數0x03
起始地址低 8 位0xC4輸入狀態 204-1970xAC
輸出數量高 8 位0x00輸入狀態 212-2050xDB
輸出數量低 8 位0x16輸入狀態 218-2130x35
校驗 CRC 低 8 位0xB8校驗 CRC 低 8 位0x22
校驗 CRC 高 8 位0x39校驗 CRC 高 8 位0x88

(0x03) 讀保持寄存器#

主機請求#

地址域功能碼起始地址保持寄存器數量校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼字節數保持寄存器狀態校驗域
1 字節1 字節1 字節 (計算保持寄存器狀態部分的字節數)n 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求讀 108~110 地址的保持寄存器數據

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x03功能碼0x03
起始地址高 8 位0x00字節數0x06
起始地址低 8 位0x6B寄存器值高八位（108）0x02
寄存器數量高 8 位0x00寄存器值低八位（108）0x2B
寄存器數量低 8 位0x03寄存器值高八位（109）0x00
校驗 CRC 低 8 位0x74寄存器值低八位（109）0x00
校驗 CRC 高 8 位0x17寄存器值高八位（110）0x00
寄存器值低八位（110）0x64
校驗 CRC 低 8 位0x05
校驗 CRC 高 8 位0x7A

(0x04) 讀輸入寄存器#

主機請求#

地址域功能碼起始地址輸入寄存器數量校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼字節數輸入寄存器狀態校驗域
1 字節1 字節1 字節 (計算輸入寄存器狀態部分的字節數)n 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求讀 9~10 地址的保持寄存器數據

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x04功能碼0x04
起始地址高 8 位0x00字節數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
校驗 CRC 低 8 位0xC1寄存器值低八位（10）0x00
校驗 CRC 高 8 位0xD7校驗 CRC 低 8 位0xF3
校驗 CRC 高 8 位0xF4

(0x05) 寫單個線圈#

[!NOTE]

寫單個線圈，輸出值部分僅允許 FF 00 表示 ON、00 00 表示 OFF，其他值都不合法

主機請求#

地址域功能碼輸出地址輸出值校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼地址輸出值校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求寫 173 地址的線圈數據為 ON

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x05功能碼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
校驗 CRC 低 8 位0x4C校驗 CRC 低 8 位0x4C
校驗 CRC 高 8 位0x1B校驗 CRC 高 8 位0x1B

(0x06) 寫單個保持寄存器#

主機請求#

地址域功能碼保持寄存器地址寄存器值校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼保持寄存器地址寄存器值校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求寫 2 地址的保持寄存器數據為 0x0003

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x06功能碼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寄存器值低八位0x03
校驗 CRC 低 8 位0x2C校驗 CRC 低 8 位0x2C
校驗 CRC 高 8 位0x0B校驗 CRC 高 8 位0x0B

(0x0F) 寫多個線圈#

主機請求#

地址域功能碼起始地址設置數量字節數設置值校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節1 字節 (計算設置值部分的字節數)n 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼起始地址設置數量校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求寫 20 地址開始的 10 個線圈

[!NOTE]

共需寫入 2 字節 (16bit)，用零填充 6 個剩餘 bit（一直到高位端）。

線圈地址2726252423222120——————2928
對應值1100110100000001

依據規範填充後，實際設置值段應當是 0xCD 0x01

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x0F功能碼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
設置數量高 8 位0x00設置數量高 8 位0x00
設置數量低 8 位0x0A設置數量低 8 位0x0A
字節數0x02校驗 CRC 低 8 位0x24
設置值 (27~20 地址)0xCD校驗 CRC 高 8 位0x09
設置值 (29~28 地址)0x01
校驗 CRC 低 8 位0x72
校驗 CRC 高 8 位0xCB

(0x10) 寫多個保持寄存器#

主機請求#

地址域功能碼起始地址設置數量字節數設置值校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節1 字節 (計算設置值部分的字節數)n 字節2 字節 (CRC-MB16)

從機響應#

地址域功能碼起始地址設置數量校驗域
1 字節1 字節2 字節2 字節2 字節 (CRC-MB16)

示例#

請求寫 34 地址開始的 4 個保持寄存器

請求響應
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x10功能碼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
設置數量高 8 位0x00設置數量高 8 位0x00
設置數量低 8 位0x04設置數量低 8 位0x04
字節數0x08校驗 CRC 低 8 位0x61
設置值高 8 位 (34 地址)0x00校驗 CRC 高 8 位0xC0
設置值低 8 位 (34 地址)0x40
設置值高 8 位 (35 地址)0x00
設置值低 8 位 (35 地址)0x24
設置值高 8 位 (36 地址)0x00
設置值低 8 位 (36 地址)0x01
設置值高 8 位 (37 地址)0xBF
設置值低 8 位 (37 地址)0x52
校驗 CRC 低 8 位0x5F
校驗 CRC 高 8 位0xCC

異常響應幀#

地址域功能碼異常碼校驗域
1 字節1 字節 (功能碼 + 0x80)1 字節2 字節 (CRC-MB16)
異常碼名稱含義
0x01非法功能碼接收到的請求指令功能碼是不可允許的操作。可能是功能碼在其中不被支持，也可能是其正處於錯誤狀態中處理請求。
0x02非法數據地址詢問中接收到的數據地址是不可允許的地址。特別是，起始地址和傳輸長度的組合是無效的。對於帶有 100 個寄存器的控制器來說，帶有起始地址 96 和長度 4 的請求會成功，帶有起始地址 96 和長度 5 的請求將產生異常碼 0x02。
0x03非法數據值實際上是數據段非法的意思。例如非法數據段長度，或者寫入或者讀取的寄存器數量和數據段不匹配。注意的是，這並不代表寄存器被寫入一個期望範圍以外的值、實際寫入失敗 (這種情況是 0x04)。
0x04從站設備故障當伺服器 (或從站)，對寄存器執行請求的操作時出現差錯，例如寄存器被寫入一個期望範圍以外的值等。
0x05確認其實並非錯誤，而是收到長耗時指令，表明已收到並開始處理.
0x06從屬設備忙正在處理耗時命令在忙。(當從機空閒後，應當重發引起此錯誤的請求)
0x08存儲奇偶性差錯設法讀取記錄文件，但是在存儲器中發現一個奇偶校驗錯誤。
0x0A不可用網關路徑與網關一起使用，指示網關不能為處理請求分配輸入端口至輸出端口的內部通信路徑。通常意味著網關是錯誤配置的或過載的。
0x0B網關目標設備響應失敗與網關一起使用，指示沒有從目標設備中獲得響應。通常意味著設備未在網絡中。

TCP 系列#

總之 modbusTCP 相比於 RTU 只是包裝了前面的報文頭，同時去除了 CRC 校驗👍。== 因為 TCP 管理層的鏈路傳輸已經很穩健了，而串口傳輸是不穩健的 ==

報文頭中的事務號會在主機 (TCP 客戶端) 發起請求時不斷累加，從機 (TCP 伺服器端) 響應請求會回覆相同的事務號表示處理的是什麼請求。所以 modbusTCP 是天生支持多幀連發的，主機不會因此誤解回覆👍。

個人是更喜歡這樣流暢的通信協議的。|| 信息準確性什麼的交給物理鏈路層就好了，大霧大霧，校驗還是有必要的 ||

(0x01) 讀線圈#

主機請求#

事務號協議標識字節總長地址域功能碼起始地址線圈數量
2 字節2 字節 (全 0)2 字節 (後續字節總長)1 字節1 字節2 字節2 字節

從機響應#

事務號協議標識字節總長地址域功能碼字節數線圈狀態
2 字節2 字節 (全 0)2 字節 (後續字節總長)1 字節1 字節1 字節 (計算線圈狀態部分的字節數)n 字節

示例#

請求讀 20~38 地址的線圈數據，總之回覆地址是由低到高，最終字節不齊在高位填 0。

[!NOTE]

最終的輸出狀態 38-36 回覆字節，用零填充 5 個剩餘 bit（一直到高位端）。

請求響應
事務號高 8 位0x00事務號高 8 位0x00
事務號低 8 位0x01事務號低 8 位0x01
協議標識 16 位 (全 0)0x00 0x00協議標識 16 位 (全 0)0x00 0x00
字節總長高 8 位0x00字節總長高 8 位0x00
字節總長低 8 位0x06字節總長低 8 位0x06
地址域 (從機 ID)0x01地址域 (從機 ID)0x01
功能碼0x01功能碼0x01
起始地址高 8 位0x00字節數0x03
起始地址低 8 位0x13輸出狀態 27-200xCD
輸出數量高 8 位0x00輸出狀態 35-280x6B
輸出數量低 8 位0x13輸出狀態 38-360x05

其他協議不贅述了

其他協議不贅述了

總之 modbusTCP 相比於 RTU 只是包裝了前面的報文頭，同時去除了 CRC 校驗👍。

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