完整且详细的modbus通信协议讲解--寄存器、功能码、RTU、ASCLL、TCP

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文章目录

• 前言
• 一、Modbus 协议的 4 种寄存器
• 二、Modbus协议功能码详细介绍
• • 1.读操作功能码
  • 2.写操作功能码
  • 3.特殊功能码
• 三、Modbus协议三种传输模式详细介绍
• • 1.RTU模式（Remote Terminal Unit）
  • • 1.1 功能码 0x01 – 读线圈状态
    • 1.2 功能码 0x02 – 读离散输入状态
    • 1.3 功能码 0x03 – 读保持寄存器
    • 1.4 功能码 0x04 – 读输入寄存器
    • 1.5 功能码 0x05 – 写单个线圈
    • 1.7 功能码 0x06 – 写单个保持寄存器
    • 1.8 功能码 0x0F (15) – 写多个线圈
    • 1.9 功能码 0x10 (16) – 写多个保持寄存器
    • 1.10 功能码 0x07 – 报告从设备ID
    • 1.11 功能码 0x08 – 诊断（子功能码0x0000 – 回显测试）
    • 1.12 功能码 0x16 (22) – 掩码写寄存器
    • 1.13 功能码 0x17 (23) – 读写多个寄存器
  • 2.ASCII模式（American Standard Code for Information Interchange）
  • • 1.1 ASCII编码对照表
    • 1.2 功能码0x03 – 读保持寄存器
    • 1.3 功能码0x06 – 写单个保持寄存器
  • 3.TCP模式（Transmission Control Protocol）
  • • 1.1 Modbus TCP模式与RTU模式报文区别
    • 1.2 功能码0x03 – 读保持寄存器

前言

Modbus协议的四大核心要素——寄存器类型、功能码、传输模式、物理介质——构成了一个完整的分层通信体系，它们之间的关系可以概括为：

寄存器类型定义了“操作对象是什么”，是Modbus协议的数据基础，代表了工业现场中线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器这四种不同性质的物理数据。功能码定义了“执行什么操作”，是与寄存器类型强绑定的操作指令——读线圈必须用01，读保持寄存器必须用03，这种绑定关系确保了设备能正确理解主站的意图。传输模式定义了“数据如何表示和定界”，RTU用二进制编码和时间间隔定界，效率高、校验强；ASCII用文本编码和特殊字符定界，可读性好、容错性强；TCP则通过以太网传输，去掉了CRC校验，增加了MBAP报文头。物理介质定义了“用什么传”，RS-232适合点对点短距离，RS-485适合多点长距离，以太网适合高速网络化通信。

这四者不是孤立的：寄存器类型和功能码构成了应用层的核心，决定了通信的内容和意图；传输模式属于表示层，决定了数据的呈现形式；物理介质属于物理层，决定了信号的传输载体。一个完整的Modbus通信，需要根据现场需求选择合适的寄存器类型、搭配正确的功能码、选用恰当的传输模式、连接匹配的物理介质，四者协同工作，才能实现可靠的数据交换。理解它们之间的层级关系和内在联系，是掌握Modbus协议的关键所在。

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功能码指定操作对象

数据通过传输模式封装

封装后的数据通过介质传输

«功能码»

应用层

定义：读什么？写什么？读线圈还是读寄存器？

01必须配合线圈

03必须配合保持寄存器

功能码与寄存器强绑定

读操作：01(读线圈) 02(读离散输入) 03(读保持寄存器) 04(读输入寄存器)

写操作：05(写单线圈) 06(写单寄存器) 15(写多线圈) 16(写多寄存器)

诊断：07(报告ID) 08(诊断) 22(掩码写) 23(读写)

«寄存器类型»

数据层

定义：操作的数据是什么类型？开关量还是模拟量？

线圈：1位，可读可写，控制继电器等

离散输入：1位，只读，读取按钮状态等

保持寄存器：16位，可读可写，设定参数等

输入寄存器：16位，只读，采集温度等

四种类型代表不同物理存储区

读写权限由硬件决定

«传输模式»

表示层

定义：数据如何编码？用二进制还是文本？

RTU：二进制编码，时间间隔定界，CRC校验

ASCII：文本编码，特殊字符定界，LRC校验

TCP：二进制编码，长度字段定界，无额外校验

RTU适合工业现场

ASCII适合调试环境

TCP适合物联网

«物理介质»

物理层

定义：用什么线？什么接口？

以太网：高速，远距离，可联网

串口只能用RTU/ASCII

以太网只能用TCP

RS-232：点对点，传输距离短(15米)

RS-485：多点通信，传输距离长(1200米)

一、Modbus 协议的 4 种寄存器

Modbus 协议的 4 种寄存器，是工业通信中用来区分不同数据类型的标准。理解它们的关键，是分清 “类型” (干什么用)和 “地址” (怎么找到它)，以及把握读写属性。

计算地址举例说明：

保持寄存器 40001：起始地址是40001。计算公式：40001 – 40001 = 0。所以，通讯时使用的地址是 0。

保持寄存器 40010：计算公式：40010 – 40001 = 9。所以，通讯时使用的地址是 9。

注意：有时会出现Modulus设备制造商为了简化编程和通信，会将所有数据（包括本应放在线圈、离散输入、输入寄存器的数据）全部映射到保持寄存器区域。这意味着：原本用01功能码读的线圈状态（开关量），原本用02功能码读的离散输入（按钮状态），原本用04功能码读的输入寄存器（模拟量采集值），都可以统一用03功能码从保持寄存器中读取。此时地址就是实际地址不需计算。

二、Modbus协议功能码详细介绍

Modbus功能码是协议的核心指令，位于报文帧中的第2个字节，用于告诉从设备需要执行什么操作。以下从分类、详解、报文结构、异常处理等方面进行全面介绍。

1.读操作功能码

2.写操作功能码

3.特殊功能码

三、Modbus协议三种传输模式详细介绍

Modbus协议定义了三种传输模式：RTU、ASCII和TCP。其中RTU和ASCII用于串行通信（RS-232/RS-485），TCP用于以太网通信。同一网络中所有设备必须使用相同的传输模式。

1.RTU模式（Remote Terminal Unit）

RTU是Modbus串行通信中最常用的模式，数据以二进制格式直接传输，效率最高。在相同波特率下，RTU模式比ASCII模式能传送更多数据。

RTU模式完整传输：[静默时间] + [报文内容] + [静默时间] 静默时间是指Modbus RTU模式中，串行通信线路上没有数据发送的空闲状态，用于标识一个报文帧的起始和结束，通常在通信软件里面设置。静默时间阈值 = 3.5 × 1字符时间，通常报文传输时≥ 静默时间阈值（3.5字符时间）。 常见配置：9600bps，8数据位，1停止位，无校验 字符帧格式：1起始位 + 8数据位 + 0校验位 + 1停止位 = 10位 1字符时间 = 10位 / 9600bps = 1.041666…ms ≈ 1.04ms 3.5字符时间 = 3.5 × 1.0417ms = 3.6458ms ≈ 3.65ms 1.5字符时间 = 1.5 × 1.0417ms = 1.5625ms ≈ 1.56ms

报文内容是包含：设备地址 功能码 起始地址高位 起始地址低位 线圈数量高位 线圈数量低位 CRC校验低位 CRC校验高位

1.1 功能码 0x01 – 读线圈状态

功能：读取从站线圈（可读写开关量）的当前状态 举例请求报文：01 01 00 00 00 0A 3D C9

响应报文：01 01 02 CD 01 85 37

1.2 功能码 0x02 – 读离散输入状态

功能：读取从站离散输入（只读开关量）的当前状态 请求报文：01 02 00 00 00 08 79 CC

响应报文：01 02 01 A5 E0 2A

1.3 功能码 0x03 – 读保持寄存器

功能：读取从站保持寄存器（可读写16位数据）

请求报文：01 03 00 00 00 03 05 CB

注：寄存器数量指的是读取多少个寄存器

响应报文：01 03 06 12 34 56 78 9A BC 51 C0

1.4 功能码 0x04 – 读输入寄存器

功能：读取从站输入寄存器（只读16位模拟量）

请求报文：01 04 00 00 00 02 71 CB

响应报文：01 04 04 00 64 01 F4 7A 59

1.5 功能码 0x05 – 写单个线圈

功能：写入单个线圈的ON/OFF状态

请求报文 ：01 05 00 00 FF 00 8C 3A

响应报文：与请求报文完全相同（回显确认）

1.7 功能码 0x06 – 写单个保持寄存器

功能：写入单个保持寄存器的16位数值

请求报文：01 06 00 01 12 34 D4 3D

注：寄存器值指的是把这个寄存器的值1234写入寄存器地址0001中

响应报文：与请求报文完全相同（回显确认）

1.8 功能码 0x0F (15) – 写多个线圈

功能：连续写入多个线圈的状态

请求报文：01 0F 00 00 00 0A 02 CD 01 5F E6

注：这段报文的意思是写10个线圈到0000地址中，写的数值为CD01

响应报文：01 0F 00 00 00 0A 14 0F

1.9 功能码 0x10 (16) – 写多个保持寄存器

功能：连续写入多个保持寄存器的值

请求报文：01 10 00 00 00 03 06 00 01 00 02 00 03 E7 64

注：这段报文的意思是从地址0000开始写，写3个寄存器，3个寄存器共占6个字节，寄存器1 2 3 分别存储每个数据的值

响应报文：01 10 00 00 00 03 01 CB

1.10 功能码 0x07 – 报告从设备ID

功能：获取从设备的ID信息

请求报文：01 07 40 92

响应报文：01 07 05 01 54 65 73 74 01 20 1D

1.11 功能码 0x08 – 诊断（子功能码0x0000 – 回显测试）

功能：通信链路测试，从站原样返回请求数据

请求报文：01 08 00 00 A5 5A 57 10

响应报文：与请求报文完全相同

1.12 功能码 0x16 (22) – 掩码写寄存器

功能：对寄存器的指定位进行AND/OR掩码修改（无需读取整个寄存器）

请求报文：01 16 00 00 00 FF 00 12 AC 3F

响应报文：与请求报文完全相同（回显确认）

1.13 功能码 0x17 (23) – 读写多个寄存器

功能：在一次通信中同时完成读取和写入操作

请求报文：01 17 00 00 00 02 00 02 00 02 04 00 01 00 02 4C 57

响应报文：01 17 04 12 34 56 78 24 D8

2.ASCII模式（American Standard Code for Information Interchange）

ASCII模式将每个8位字节拆分为两个ASCII字符（十六进制表示）进行传输。例如，数值0x3F会作为字符’3’(0x33)和’F’(0x46)发送。此模式的主要优点是允许字符间间隔长达1秒而不产生错误。

1.1 ASCII编码对照表

1.2 功能码0x03 – 读保持寄存器

说明：读取从站地址1、起始地址0（40001）、2个保持寄存器

请求报文ASCII显示：: 0 1 0 3 0 0 0 0 0 0 0 2 L R C CR LF 十六进制：3A 30 31 30 33 30 30 30 30 30 30 30 32 4C 52 43 0D 0A

注：起始标志（:）与结束标志(LF)并不是报文内容，报文内容：0 1 0 3 0 0 0 0 0 0 0 2 L R C,L R C计算时只计算报文内容部分。 ASCII模式完整传输：[起始标志 :] + [报文内容] + [结束标志 CR+LF] RTU模式完整传输：[静默时间] + [报文内容] + [静默时间]

响应报文

ASCII显示：: 0 1 0 3 0 4 0 0 0 A 0 0 0 5 L R C CR LF 十六进制：3A 30 31 30 33 30 34 30 30 30 41 30 30 30 35 4C 52 43 0D 0A

1.3 功能码0x06 – 写单个保持寄存器

说明：向从站地址1、地址0（40001）写入值0x0012 ASCII显示：: 0 1 0 6 0 0 0 0 0 0 1 2 L R C CR LF 十六进制：3A 30 31 30 36 30 30 30 30 30 30 31 32 4C 52 43 0D 0A

响应报文 ASCII显示：: 0 1 0 6 0 0 0 0 0 0 1 2 L R C CR LF 十六进制：3A 30 31 30 36 30 30 30 30 30 30 31 32 4C 52 43 0D 0A 响应报文与请求报文完全相同（回显确认）。 其余功能码不过多阐述，原理参考RTU。

3.TCP模式（Transmission Control Protocol）

Modbus TCP将Modbus协议封装在TCP/IP报文中进行以太网传输。它由施耐德公司于1999年开发，解决了串行通信的距离和速度限制问题。

1.1 Modbus TCP模式与RTU模式报文区别

RTU模式帧结构：[设备地址 1B] [功能码 1B] [数据域 nB] [CRC校验 2B] TCP模式帧结构：[MBAP Header 7B] [功能码 1B] [数据域 nB]

1.2 功能码0x03 – 读保持寄存器

注：读取单元标识符1、起始地址0（40001）、2个保持寄存器 请求报文十六进制：00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 02

注：RTU模式的帧定界为3.5字符静默时间，TCP模式的帧定界为长度字段 + TCP连接 。

响应报文

其余功能码不过多阐述，原理参考RTU。