Modbus 协议基础

写在前面

作者对 Modbus 并没有很深入的使用，只是工作中用到了 Modbus 的某些方面，以下仅是作者在学习及实际使用 Modbus 后对它的一个理解与总结，如有不对的地方可与作者讨论

我们平常说的 Modbus 协议 是一种规定，它其实有多种实现，目前常见的标准实现主要有以下几种

Modbus RTU： 基于 RS-485/RS-232 的串行通信，使用 CRC-16 校验确保数据完整性
Modbus TCP： 基于 TCP/IP 以太网通信，依赖 TCP 协议自带的校验确保数据完整性
Modbus ASCII： 也是基于串行通信，但是数据使用 ASCII 编码，以字符串形式呈现，传输效率低

还有 Modbus over TLS 及一些第三方实现的协议，市面上不为常见，这里也就不谈了

尽管 Modbus 协议有多种实现，但它们的核心基本是一致的，我们只要了解了一个其它的也很容易就懂了

本文中会先讲协议通用部分，后面会针对不同协议做说明

通信架构

Modbus 采用主从模式通信架构（即一对多），由一个主机控制通信流程，多个从机只能被动响应

主机（Master）： 唯一拥有通信发起权，主动发送请求帧（如读取数据、写入命令）
从机（Slave）： 被动响应，仅在收到匹配自身地址的请求时回复，无法主动上报数据

Modbus设计

通信过程

主机（Master）发起请求
- 构造请求帧（请求报文），通过串口（Modbus RTU/ASCII）或以太网（Modbus TCP）发送
- 请求帧示例（Modbus RTU 格式）
```
[01][03][00 01][00 04][2B 14] // Modbus RTU 请求帧格式
```
从机（Slave）响应
- 从机执行接收到的功能码操作并返回数据
- 响应帧示例（Modbus RTU 格式）
```
[01][03][08][40 27 AE 14 41 C8 0 0][12 71] // Modbus RTU 响应帧格式
```
主机处理响应结果，校验数据有效性（如 Modbus RTU 的 CRC 校验）

是的，通信过程就是这么简单，至于请求/响应帧如何构建我们后面会详细讲到

寄存器

我们想要通过 Modbus 对设备进行操作，无非就是要对设备进行一些设置或者读取一些信息，那么设备内肯定就会有存储这些数据的容器，存储数据的容器就是 寄存器

对于 Modbus 寄存器 而言，很多人在初学时会被这些什么线圈、散离输入等名词搞得云里雾里，其实想的太复杂，你可以简单的理解为是一些不同类型的容器，用来存放设备相关的数据，并提供了读/写的能力

Modbus 中有 4 种不同类型的寄存器，每种寄存器也有多个，我们在请求时会通过 功能码 来区分操作（读/写）哪种类型的寄存器，通过 寄存器地址 来确定具体操作的是哪些寄存器

线圈寄存器（Coils）
- 数据类型： 1 位（bit），存储值 0 或 1
- 读写属性： 可读可写（功能码： 0x01 读、0x05 写单个、0x0F 写多个）
- 地址范围： 00001 ~ 09999
- 用途理解： 控制设备开关量（继电器状态），因为 bit 只能表示两种状态（ 0 或 1，也相当于 OFF 或 ON），比如用于控制设备开关、指示灯开关等
离散输入寄存器（Discrete Inputs）
- 数据类型： 1 位（bit），存储值 0 或 1
- 读写属性： 只读（功能码： 0x02 读）
- 地址范围： 10001 ~ 19999
- 用途理解： 一般用于监测设备外部信号，比如监测设备某个按钮是按下还是松开的状态
保持寄存器（Holding Registers）
- 数据类型： 16 位（两个字节），存储值 0-65535（无符号）或 -32768~32767（有符号）
- 读写属性： 可读可写（功能码： 0x03 读、0x06 写单个、0x10 写多个）
- 地址范围： 40001 ~ 49999
- 用途理解： 这类寄存器就可以存放具体的数据量了，一般可用于存放设备可读写的配置、参数等，比如设置设备显示的时间，可以设置当然也能获取
输入寄存器（Input Registers）
- 数据类型： 16 位（两个字节），存储值 0-65535（无符号）或 -32768~32767（有符号）
- 读写属性： 只读（功能码： 0x04 读）
- 地址范围： 30001 ~ 39999
- 用途理解： 与保持寄存器类似，但是只支持读取，一般用于存放设备的实时数据，比如温度传感器的温度值（有些设备可能会使用保持寄存器来存储这类数据）

数据交互

前面 通信架构 中说明了 Modbus 是主从架构，即 一个主机对多个从机，那么主机要怎么知道要对哪个从机进行操作呢？

是的，每个 Modbus 从机都会有一个地址： 从机地址 ，地址范围是 1-247，且不会重复

为什么从机地址是 1-247 ？

协议规范限制： Modbus 协议规定了协议帧中的从机地址字段为 8 位（也就是 1 字节），理论范围也就是 0-255 之间，但是这 256 个地址不会都给 Modbus 从机使用
- 0：广播地址（仅 RTU/ASCII），若请求时指定从机地址是 0，那么这个请求会发送到所有从机，从机收到请求后不会响应。一般会用于给所有设备设置参数
- 1-247： 实际可用的从机地址（最大 247 个设备）
- 248-255： 保留未使用（部分厂商自定义）
历史遗留： 早期工业设备规模较小，247 个从机已满足需求，且 RS-485 总线负载能力有限

结合前文所讲，已经满足主从机交互条件，现在你大概也能知到 Modbus 通信需要哪些参数了

从机地址： 明确需要交互的是哪一台从机设备
功能码： 明确操作（是读还是写）以及操作的寄存器类型（线圈寄存器、保持寄存器等）
数据域： 明确操作的具体是哪些地址的寄存器以及实际的数据

另外除了上面这些参数外，我们还需要保证数据传输的完整性，所以 Modbus 还有 校验码 用来验证本次传输的数据是否完整。不过这个校验规则并不是所有协议都相同（ Modbus RTU 使用 CRC-16、Modbus ASCII 使用 LRC、Modbus TCP 则没有，因为 TCP 协议本身就具有数据可靠性）

提示

Modbus RTU / ASCII / TCP 这几种协议的通信都略有差别，我们后面会将这些协议分别来讲，你要知道的是不论哪种 Modbus 协议的请求/响应帧中都离不开上面这些参数，交互时我们必须要将这些参数按照你使用的 Modbus 协议规定的帧格式进行构造

Modbus RTU

注意

之前说过 Modbus 不同协议的核心内容是基本是相同的，所以我会重点讲解一下 Modbus RTU 协议，了解了这个协议后其他的协议很容易就懂了

Modbus RTU 是使用最广泛的 Modbus 协议，是 Modbus 协议的串口通信模式，它基于 RS-485/RS-232 物理层传输， RS-485 尤其常见，因为它支持多点通信、长距离传输（1200 米）、抗干扰能力强，且数据使用二进制编码，效率高、速度快（相对于 Modbus ASCII），不过对时序要求严格，使用时需要格外注意波特率和帧间间隔（后面会说明）

帧字段说明： Modbus RTU 协议的请求/响应帧均遵循以下结构模板

[从机地址] [功能码] [数据区域] [CRC校验码]

字段	长度	说明
从机地址	1 字节	目标设备地址（1-247），广播地址为 0
功能码	1 字节	指定操作类型（比如读保持寄存器、写线圈等）
数据域	可变长度	包含寄存器地址、数量、实际数据
校验码	2 字节	CRC-16（循环冗余检验 16 位算法）

注意：在不同的操作中 数据域 的结构可能会不一样，我们在下面会举例说明

提示

在看下面的例子前，你需要了解：协议帧中的寄存器地址都是 0x0000 - 0xFFFF，与实际寄存器的地址不一样，就比如保持寄存器是 30001-39999，这是因为 Modbus 将协议帧中的地址进行了偏移

寄存器类型	Modbus 地址范围	协议帧地址范围	偏移值
线圈	00001 ~ 09999	0x0000 ~ 0xFFFF	0
离散输入	10001 ~ 19999	0x0000 ~ 0xFFFF	10000
输入寄存器	30001 ~ 39999	0x0000 ~ 0xFFFF	30000
保持寄存器	40001 ~ 49999	0x0000 ~ 0xFFFF	40000

公式：Modbus 地址 = 协议帧地址 + 偏移值 + 1

这里暂时先有个概念就行，看了下面的示例后自然会明白

读取寄存器
- 示例：读取保持寄存器（功能码 0x03），读取寄存器地址范围 40002-40005
- 请求帧：[01][03][00 01][00 04][2B 14]
  从机地址功能码起始地址读取数量 CRC
  [ 01 ] [ 03 ] [ 00 01 ] [ 00 04 ] [ 2B 14 ]
  上面我们说了偏移值，就以这个请求帧来说：帧中的地址是 0x0001，因为功能码是 03 所以需要加上 40000 + 1，由此得出实际寄存器地址为 40002
- 响应帧：[01][03][08][40 27 AE 14 41 C8 0 0][12 71]
  从机地址功能码数据长度数据 CRC
  [ 01 ] [ 03 ] [ 08 ] [ 40 27 AE 14 41 C8 0 0 ] [ 12 71 ]
写入寄存器（单个）
- 示例：写入单个保持寄存器（功能码 0x06），写入寄存器地址 40003
- 请求帧：[01][06][00 02][12 34][08 18]
  从机地址功能码地址数据 CRC
  [ 01 ] [ 06 ] [ 00 02 ] [ 12 34 ] [ 08 18 ]
- 响应帧：与请求帧相同
写入寄存器（多个）
- 示例：写入多个保持寄存器（功能码 0x10），写入寄存器地址范围 40001-40002
- 请求帧：[01][10][00 00][00 02][04][12 34 56 78][2B 26]
  从机地址功能码起始地址写入数量数据长度数据 CRC
  [ 01 ] [ 10 ] [ 00 00 ] [ 00 02 ] [ 04 ] [ 12 34 56 78 ] [ 2B 26 ]
- 响应帧：与请求帧相同

从机地址	功能码	起始地址	读取数量	CRC
[ 01 ]	[ 03 ]	[ 00 01 ]	[ 00 04 ]	[ 2B 14 ]

从机地址	功能码	数据长度	数据	CRC
[ 01 ]	[ 03 ]	[ 08 ]	[ 40 27 AE 14 41 C8 0 0 ]	[ 12 71 ]

从机地址	功能码	地址	数据	CRC
[ 01 ]	[ 06 ]	[ 00 02 ]	[ 12 34 ]	[ 08 18 ]

从机地址	功能码	起始地址	写入数量	数据长度	数据	CRC
[ 01 ]	[ 10 ]	[ 00 00 ]	[ 00 02 ]	[ 04 ]	[ 12 34 56 78 ]	[ 2B 26 ]

提示

由于线圈/散离输入寄存器存储单位是一位（1 bit），所以 8 个寄存器才会占用 1 字节，9 个寄存器占用 2 字节...

例：[01][0F][00 00][00 04][01][05][8E 09] 表示写入线圈寄存器 00001-00004，数据长度 1，写入数据 05（二进制表示 00000101），低位在前，所以寄存器 1=ON, 2=OFF, 3=ON, 4=OFF

写入单个线圈寄存器时，数据使用固定值表示：FF00(ON)，0000(OFF)

例：[01][05][00 02][FF 00][8C 3A] 表示写入 ON 到地址 00003，写单个线圈的情况较少，更推荐直接使用 0x0F

注意

你也可能也注意到了，数据域中的 数据长度 是一个字节表示，也就代表最大只能是 255

其实这在 Modbus 标准文档中也规定了每帧长度不可超过 256 个字节，我们在使用时还要考虑到从机地址、功能码等字段占用的字节数，所以理论读取时（0x03）最大可读取 125（(256-6)/2）个寄存器，理论写入（0x10）最大 123（(256-9)/2）个寄存器，需要读取/写入更多寄存器时，我们需要考虑分批操作

时序 / 帧间隔

我们现在知道了交互中数据传输的格式，现在我们来说说如何区分完整的一帧（一次请求/响应）

我们要知道 Modbus RTU 是基于串口通信（UART）的，而在 UART 中传输的是字符流（依次发送从机地址、功能码...），UART 可不会管你传输的是从机地址还是什么数据，它有数据就发送，你可以想想，如果连续发送多次请求时，两个 Modbus RTU 帧是不是就连在一起了？而 Modbus RTU 帧中也没有"起始符"与"结束符"来标识一帧的开始与结束，那么我们要怎么来区分呢？ 根据时间间隔！

串口通信（UART）

如果你不知道串口通信（UART），请看这里，我这里就简单讲一下 UART 的传输机制

我们得知道，数据传输的本质是传输二进制（bit 也就是高电平与低电平），这对人类很不友好，我们如果直接通过二进制来做什么事的话就非常的困难，所以 UART 给我们封装了更高层次的传输方式（以字节为单位），对于我们来说传输单位就是字节，这很棒！那它是怎么实现的呢？

UART 为了确保每字节的数据能够正常解析，所以制定了以下规则：

[起始位][数据位][校验位（可选）][停止位]

起始位（Start Bit）： 表示数据开始，固定为 0（低电平）
数据位（Data Bits）： 这个是我们实际的数据，通常是 8 位（1 字节），按从低位到高位（LSB）传输
校验位（Parity Bit）： 这个是可选的，None（无校验）、Odd（奇校验）、Even（偶校验）
停止位（Stop Bit）： 表示数据结束，固定为 1（高电平）

有多种模式可以选择，Modbus 通常使用 8N1 模式，也就是数据是 8 位（1 字节）且无校验位

例如：8N1 模式

我们发送数据 0x12（二进制：00010010）时，对于我们来说发送的是 8 位（1 字节）数据，但实际发送的是 10 位， UART 给我们的数据包装了一下，加上了起始位与停止位，0 00010010 1，我们将这个数据称为 1 个字符，这样接收方如果也是 8N1 模式的话就能正常解析数据

Modbus RTU 规定：

一帧内的数据传输间隔时间必须 <= 1.5 个字符的时间，两帧之间的间隔必须 ≥ 3.5 个字符的时间

帧内间隔 ≤ 1.5 字符时间： 如果同一帧内两个字节之间的传输时间间隔超过 1.5 字符时间，那么会认为帧损坏（CRC 校验也会失败），该帧会被丢弃
帧间间隔 ≥ 3.5 字符时间： 如果线路空闲超过 3.5 字符时间，接收方就知道这帧结束了，准备接收下一帧。如果两帧之间小于 3.5 个字符，同样 CRC 校验也会失败

计算公式：1 字符时间 = (1 起始位 + 8 数据位 + 1 停止位 + 校验位) / 波特率

示例（波特率 9600）：

T 1.5 = \frac{15}{9600} \approx 1.56 ms

T 3.5 = \frac{35}{9600} \approx 3.65 ms

Modbus ASCII

提示

因为这个协议在市面上很少见，在这里就简单的说明一下，能有个了解就好

Modbus ASCII 最主要的一点就是：它把所有数据（地址、功能码、数据域、校验码）都转换成 ASCII 字符（0-9, A-F），原本 1 个字节数据它用 2 个 ASCII 字符呈现

可以简单的理解为它把原始数据输出成了 16 进制的字符串显示

比如：寄存器值 0x1234（两个字节 0x12 、0x34）→ 转换为 ASCII 字符串 1234（4 个字符，我们知道 ASCII 编码中，一个字符使用一个字节编码，也就是 4 个字节）

帧字段说明

字段	长度	说明
帧起始符	1 字节	固定 `:` ，表示本次请求开始
从机地址	2 ASCII 字符	目标设备地址（1-247），广播地址为 0
功能码	2 ASCII 字符	指定操作类型（比如读保持寄存器、写线圈等）
数据域	N × 2 ASCII 字符	包含寄存器地址、数量、实际数据
校验码	2 ASCII 字符	LRC（纵向冗余检验）
帧结束符	2 字节	固定 `CR LF`（回车+换行），表示本次请求结束

从上面的帧字段能看出，和 Modbus RTU 相比，除了主要使用 ASCII 编码外，还多出了两个字段 帧起始符 与 帧结束符，这与 Modbus RTU 的时序不同， Modbus ASCII 使用这两个字段构建一段完整的帧，这就相当于是手动控制一段请求的开始与结束，这就对时序没有要求

其次就是 Modbus ASCII 使用 LRC 进行校验计算，这与 Modbus RTU 的 CRC-16 也不同

Modbus TCP

现在我们来说说 Modbus TCP，故名思意它是基于 TCP/IP 网络的通信协议，默认使用 502 端口，同样使用二进制编码进行数据传输（与 Modbus RTU 帧结构类似，但是增加了 MBAP 报文头，且去除了 CRC 校验）。相比串口通信，TCP 速度快、距离远，特别适合 SCADA 系统（数据采集与监控系统）

Modbus TCP 报文格式

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Modbus TCP 的报文由 MBAP 头（前 7 字节） + Modbus PDU（协议数据单元）组成

MBAP 报文头
- 事务标识（2 字节）： request id，用于请求/响应的配对，一般由主机递增生成，从机原样返回
- 协议标识（2 字节）： 固定为 0x0000（表示 Modbus 协议）
- 字节长度（2 字节）： 后续的字节数（从 单元标识 开始计算）
- 单元标识（1 字节）： 设备地址，通常为 0xFF（可忽略），因为设备通过 IP 地址直接寻址
Modbus PDU： 参考 Modbus RTU 帧结构
- 读（请求）： 功能码（1 字节） 起始地址（2 字节） 数量（2 字节）
- 读（响应）： 功能码（1 字节） 数据长度（1 字节） 数据
- 写（请求）： 功能码（1 字节） 起始地址（2 字节） 数量（2 字节） 数据长度（1 字节） 数据
- 写（响应）： 功能码（1 字节） 起始地址（2 字节） 数量（2 字节）

提示

Modbus TCP 协议去除了 CRC 校验，因为 TCP 协议本身就是可靠的数据传输

由于是基于 TCP 协议，所以也没有 Modbus RTU 所有的串行通信的波特率限制以及帧间隔时间

Modbus 协议基础 ​

通信架构 ​

寄存器 ​

数据交互 ​

Modbus RTU ​

Modbus ASCII ​

Modbus TCP ​