# Modbus 学习文档 ## 基本概念 ### Modbus 基本概念 Modbus 是一种工业通信协议，主要用于控制器、触摸屏、仪表、传感器和驱动器之间的数据交换。 Modbus 规定了通信双方如何组织地址、功能码、数据和校验信息，但不规定设备内部必须采用什么硬件或如何存储数据。某个寄存器代表温度、速度还是报警状态，需要由设备的通信说明书确定。 Modbus 具有以下特点： - 协议结构简单，容易实现。 - 采用请求和应答方式通信。 - 支持位数据和 16 位寄存器数据。 - 支持串口和以太网。 - 不同厂商的工业设备可以按照统一报文格式交换数据。 在 Modbus 串口通信中，设备分为主站和从站： - 主站主动发出请求，并等待从站应答。 - 从站接收并处理属于自己的请求，然后返回应答。 - 从站一般不能在没有请求的情况下主动发送业务数据。 ### 应用场景 Modbus 常见于以下工业控制场景： - PLC 与触摸屏之间交换状态和控制数据。 - PLC 读取温度、压力、流量等仪表数据。 - PLC 设置变频器频率并读取运行状态。 - 上位机监控多台 PLC 或现场设备。 - 多台从站通过 RS-485 总线连接到同一个主站。 - 工业网关在 Modbus RTU 与 Modbus TCP 之间转换。 Modbus 适合周期性读取和写入少量工业数据。它没有统一规定变量名称，因此通信前通常需要准备地址表，明确每个线圈和寄存器的用途、数据类型、读写权限及单位。 ### 三种通信模式 #### Modbus RTU Modbus RTU 使用二进制方式传输数据，通常运行在 RS-485 或 RS-232 接口上。 主要特点： - 数据紧凑，传输效率较高。 - 使用 CRC16 校验。 - 通过总线静默时间判断帧边界。 - 是串口设备中最常见的 Modbus 模式。 #### Modbus ASCII Modbus ASCII 把每个数据字节转换为两个 ASCII 字符发送。 例如： ```text 数据字节 0x3A -> 字符 '3' 和 'A' ``` 主要特点： - 报文以冒号 `:` 开始。 - 报文以回车和换行结束。 - 使用 LRC 校验。 - 便于通过文本终端观察，但传输效率低于 RTU。 #### Modbus TCP Modbus TCP 运行在 TCP/IP 网络上，默认使用 TCP 端口 502。 主要特点： - 使用以太网通信。 - 报文包含 MBAP 报文头。 - TCP 已经提供传输校验，因此不再附加 RTU 的 CRC16。 - 可以同时建立多个网络连接。 #### 三种模式对比 | 对比项 | Modbus RTU | Modbus ASCII | Modbus TCP | |---|---|---|---| | 常用接口 | RS-485、RS-232 | RS-485、RS-232 | 以太网 | | 数据形式 | 二进制 | ASCII 字符 | 二进制 | | 校验方式 | CRC16 | LRC | TCP/IP 校验 | | 帧边界 | 静默时间 | 起止字符 | MBAP 长度字段 | | 传输效率 | 高 | 较低 | 高 | 三种模式的外部封装不同，但功能码和主要数据含义基本一致。 ### 广播模式与单播模式 #### 单播模式 主站使用从站地址 1～247访问指定从站。从站处理请求并返回应答。 ```text 主站发送请求 -> 指定从站处理请求 -> 从站返回应答 ``` 主站可以根据应答判断本次事务是否成功。如果规定时间内没有收到应答，则可以进行超时或重试处理。 #### 广播模式 地址 0 是 Modbus 串口通信中的广播地址。主站向地址 0 发送请求时，所有从站都可以接收并执行。 广播模式具有以下特点： - 广播只适合写操作。 - 从站执行广播写请求后不能返回应答。 - 广播读请求没有实际意义，应被从站忽略。 - 主站无法确认每个从站是否执行成功。 广播请求不能产生应答，是因为多个从站同时发送数据会造成总线冲突。 ### 事务处理流程 一次 Modbus 请求和应答过程称为一个事务。 #### 主站事务处理流程 ```text 确定从站地址和操作内容 | 生成请求数据 | 添加功能码和校验信息 | 发送请求帧 | 启动应答超时计时 | 接收从站应答 | 检查地址、功能码、长度和校验 | 处理正常应答或异常应答 ``` 主站需要处理以下情况： - 收到正确的正常应答。 - 收到从站异常应答。 - 等待应答超时。 - 应答 CRC 或 LRC 错误。 - 应答地址与请求地址不一致。 - 应答功能码与请求功能码不匹配。 - 应答长度或字节数错误。 #### 从站事务处理流程 ```text 接收请求帧 | 检查帧长度和校验 | 检查从站地址 | 检查功能码 | 检查数据地址、数量和字节数 | 执行读取或写入 | 生成正常应答或异常应答 | 添加校验并发送 ``` 从站应先完成报文校验和参数检查，再修改内部数据。CRC 错误、帧不完整或单播地址不属于本机的请求通常直接丢弃。 #### 超时与重试 主站发送请求后，如果在规定时间内没有收到完整且正确的应答，则本次事务超时。 主站可以进行有限次数重试： ```text 发送请求 -> 超时 -> 第一次重试 -> 仍然超时 -> 第二次重试 -> 仍然超时 -> 判断从站离线 ``` 重试次数不能无限增加，否则离线设备会长期占用通信总线。 ### 寄存器相关概念 #### 四种数据区 Modbus 定义了四个相互独立的数据区。 | 数据区 | 数据宽度 | 访问权限 | 读取功能码 | 常用写入功能码 | |---|---:|---|---|---| | 线圈 Coils | 1 bit | 读/写 | 0x01 | 0x05、0x0F | | 离散输入 Discrete Inputs | 1 bit | 只读 | 0x02 | 无 | | 保持寄存器 Holding Registers | 16 bit | 读/写 | 0x03 | 0x06、0x10 | | 输入寄存器 Input Registers | 16 bit | 只读 | 0x04 | 无 | 不同数据区相互独立，可以拥有相同的地址。例如，线圈地址 0 和保持寄存器地址 0 不冲突，因为访问它们所使用的功能码不同。 #### 线圈 一个线圈只保存一个二进制状态： ```text 0 = OFF 1 = ON ``` 多个线圈在报文中按位打包。请求中的第一个线圈放在第一个数据字节的最低位 bit0。 #### 寄存器 一个 Modbus 寄存器为 16 位，占 2 字节。 - 无符号数范围：0～65535。 - 有符号数范围：-32768～32767。 Modbus 只规定寄存器宽度，不规定寄存器中的数据类型。一个实际变量可以使用一个或多个寄存器表示： - 16 位整数：占用 1 个寄存器。 - 32 位整数：占用 2 个寄存器。 - 32 位浮点数：占用 2 个寄存器。 - 字符串：占用多个连续寄存器。 使用多个寄存器表示一个数据时，通信双方必须约定高低字顺序。 #### 逻辑编号与协议地址 部分资料使用 `00001` 表示第一个线圈，使用 `40001` 表示第一个保持寄存器。这些是便于阅读的逻辑编号，不一定是报文中的实际地址。 例如： ```text 逻辑编号 40001 -> 报文地址通常为 0x0000 逻辑编号 40002 -> 报文地址通常为 0x0001 ``` 不同设备软件可能采用从 0 开始或从 1 开始的显示方式。通信时应以设备手册和实际发送的报文地址为准。 ## 数据帧格式 ### Modbus RTU 基本帧格式 Modbus RTU 报文由以下字段组成： | 字段 | 长度 | 说明 | |---|---:|---| | 从站地址 | 1 字节 | 单播地址 1～247，广播地址 0 | | 功能码 | 1 字节 | 表示读取或写入操作 | | 数据 | 可变 | 起始地址、数量、字节数和数据值 | | CRC16 | 2 字节 | 低字节先发送，高字节后发送 | Modbus RTU ADU 的最大长度为 256 字节。 地址、数量和寄存器值等 16 位字段采用高字节在前： ```text 数值 0x1234 -> 发送 12 34 ``` CRC 在线路上采用低字节在前： ```text CRC 计算结果 0x0A84 -> 发送 84 0A ``` #### CRC16 Modbus RTU 的 CRC16 参数如下： - 初始值：`0xFFFF`。 - 多项式：`0xA001`。 - 计算范围：从站地址、功能码和数据字段。 - 接收方重新计算 CRC，并与报文最后两个字节比较。 CRC 不正确的报文应直接丢弃，不能返回异常应答。 #### T1.5 与 T3.5 Modbus RTU 通过静默时间区分报文： - T1.5：1.5 个字符的传输时间。 - T3.5：3.5 个字符的传输时间。 一帧内部的字节应连续发送。如果相邻字节间隔超过 T1.5，当前报文可能被判定为不完整。两帧之间至少保持 T3.5 的静默时间。 波特率高于 19200 bit/s 时，通常建议采用： - T1.5：750 μs。 - T3.5：1.75 ms。 ### 0x01 功能码 功能码 `0x01` 用于读取线圈。 #### 请求帧格式 | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x01 | 1 字节 | | 起始地址 | 2 字节 | | 线圈数量 | 2 字节 | | CRC | 2 字节 | 请求读取从站 1 的线圈地址 0，共读取 1 个线圈： ```text 01 01 00 00 00 01 FD CA ``` 字段解释： ```text 01 从站地址 01 功能码 00 00 起始地址 00 01 读取数量 FD CA CRC ``` 线圈读取数量的标准范围为 1～2000。 #### 应答帧格式 | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x01 | 1 字节 | | 数据字节数 | 1 字节 | | 线圈数据 | N 字节 | | CRC | 2 字节 | 如果线圈地址 0 为 ON： ```text 01 01 01 01 90 48 ``` 线圈按最低位优先排列： ```text 数据字节 bit0 -> 请求中的第 1 个线圈 数据字节 bit1 -> 请求中的第 2 个线圈 ... 数据字节 bit7 -> 请求中的第 8 个线圈 ``` 最后一个数据字节中没有使用的高位应置 0。 ### 0x03 功能码 功能码 `0x03` 用于读取保持寄存器。 #### 请求帧格式 | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x03 | 1 字节 | | 起始地址 | 2 字节 | | 寄存器数量 | 2 字节 | | CRC | 2 字节 | 请求读取从站 1 的保持寄存器地址 0，共读取 1 个寄存器： ```text 01 03 00 00 00 01 84 0A ``` 保持寄存器读取数量的标准范围为 1～125。 #### 应答帧格式 | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x03 | 1 字节 | | 数据字节数 | 1 字节 | | 寄存器数据 | N 字节 | | CRC | 2 字节 | 假设保持寄存器地址 0 的值为 `0x1234`： ```text 01 03 02 12 34 B5 33 ``` 其中： ```text 02 后续数据占 2 字节 12 34 寄存器值 ``` 读取多个寄存器时，数据按照寄存器地址递增顺序排列。 ### 0x0F 功能码 功能码 `0x0F` 用于写多个线圈。 #### 请求帧格式 | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x0F | 1 字节 | | 起始地址 | 2 字节 | | 线圈数量 | 2 字节 | | 数据字节数 | 1 字节 | | 线圈数据 | N 字节 | | CRC | 2 字节 | 把地址 0～7 的 8 个线圈写成 `0x55`： ```text 01 0F 00 00 00 08 01 55 3E AA ``` 字段解释： ```text 01 从站地址 0F 功能码 00 00 起始地址 00 08 写入 8 个线圈 01 数据字节数 55 线圈数据 3E AA CRC ``` 线圈写入数量的标准范围为 1～1968。 数据字节数的计算方法： ```text 数据字节数 = (线圈数量 + 7) / 8，采用整数除法 ``` #### 应答帧格式 正常应答回显起始地址和实际写入数量： | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x0F | 1 字节 | | 起始地址 | 2 字节 | | 写入数量 | 2 字节 | | CRC | 2 字节 | 应答示例： ```text 01 0F 00 00 00 08 54 0D ``` ### 0x10 功能码 功能码 `0x10` 用于写多个保持寄存器。 #### 请求帧格式 | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x10 | 1 字节 | | 起始地址 | 2 字节 | | 寄存器数量 | 2 字节 | | 数据字节数 | 1 字节 | | 寄存器数据 | N 字节 | | CRC | 2 字节 | 从地址 10 开始写入两个寄存器，数据分别为 `0x1234` 和 `0x5678`： ```text 01 10 00 0A 00 02 04 12 34 56 78 08 E4 ``` 字段解释： ```text 01 从站地址 10 功能码 00 0A 起始地址 00 02 写入 2 个寄存器 04 数据字节数 12 34 第一个寄存器的数据 56 78 第二个寄存器的数据 08 E4 CRC ``` 寄存器写入数量的标准范围为 1～123，数据字节数必须等于寄存器数量乘以 2。 #### 应答帧格式 正常应答回显起始地址和实际写入数量： | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 功能码 0x10 | 1 字节 | | 起始地址 | 2 字节 | | 写入数量 | 2 字节 | | CRC | 2 字节 | 应答示例： ```text 01 10 00 0A 00 02 61 CA ``` ### 异常应答帧 当请求报文校验正确，但从站无法执行请求时，从站可以返回异常应答。 异常功能码等于原功能码加 `0x80`： ```text 0x01 -> 0x81 0x03 -> 0x83 0x0F -> 0x8F 0x10 -> 0x90 ``` 异常应答格式： | 字段 | 长度 | |---|---:| | 从站地址 | 1 字节 | | 异常功能码 | 1 字节 | | 异常码 | 1 字节 | | CRC | 2 字节 | 常见异常码： | 异常码 | 名称 | 含义 | |---:|---|---| | 0x01 | 非法功能 | 从站不支持该功能码 | | 0x02 | 非法数据地址 | 请求地址不存在或访问范围越界 | | 0x03 | 非法数据值 | 数量、字节数或数据值不合法 | | 0x04 | 从站设备故障 | 从站执行请求时发生内部错误 | | 0x06 | 从站设备忙 | 从站暂时不能处理请求 | 例如，从站 1 对 0x03 请求返回非法数据地址： ```text 01 83 02 C0 F1 ```