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Modbus基础知识
一.物理层与通信规范
-1.1.传输介质与接口标准
-1.2.电气特性
-1.3.通信规范
二.报文帧结构
三.请求与响应报文示例
-3.1.读线圈状态0x01
-3.2.读离散输入0x02
-3.3.读保持寄存器0x03
-3.4.读输入寄存器0x04
-3.5.写单个线圈0x05
-3.6.写单个寄存器0x06
-3.7.写多个线圈0x0F
-3.8.写多个寄存器0x10
四.使用控制器收发Modbus报文
-4.1.发送Modbus报文
-4.2.接收Modbus报文
五.注意事项
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Modbus基础知识
一.物理层与通信规范
-1.1.传输介质与接口标准
-1.2.电气特性
-1.3.通信规范
二.报文帧结构
三.请求与响应报文示例
-3.1.读线圈状态0x01
-3.2.读离散输入0x02
-3.3.读保持寄存器0x03
-3.4.读输入寄存器0x04
-3.5.写单个线圈0x05
-3.6.写单个寄存器0x06
-3.7.写多个线圈0x0F
-3.8.写多个寄存器0x10
四.使用控制器收发Modbus报文
-4.1.发送Modbus报文
-4.2.接收Modbus报文
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# Modbus基础知识 Modbus是一种广泛应用于工业自动化领域的串行通信协议，采用主从架构，用于控制器与传感器、执行器等设备间的标准化数据交换。 Modbus为单主机控制通信，最多支持 247 个从机，主机主动发起请求，从机响应，从机之间无直接通信。 Modbus协议，拥有三种变体，Modbus RTU、Modbus TCP与Modbus ASCII，如下表所示，本文内容主要介绍Modbus RTU。 | 协议 | 特点 | 适用场景 | | ------------------ | -------------------------------------------- | ------------ | | **Modbus RTU** | 二进制编码，高效；帧结构：[地址][功能码][数据][CRC-16校验] | RS-485工业现场总线 | | **Modbus TCP** | 基于 TCP/IP，端口 502；帧结构：[MBAP头][Modbus数据] | 以太网环境 | | **Modbus ASCII** | ASCII 字符编码，可读性强但效率低；帧结构：[地址][功能码][数据][LRC校验] | 低速文本通信 | ## 一.物理层与通信规范<a name="物理层与通信规范"></a> ### 1.1.传输介质与接口标准<a name="传输介质与接口标准"></a> Modbus RTU基于串行接口（RS485/RS422）采用二进制编码，数据紧凑，适用于短距离（<1200米），高可靠性场景（如变频器控制）。 采用RS485半双工差分信号传输，支持多点通信，单总线最多连接32个设备（使用中继器可扩展），抗干扰强，需终端电阻（通常首尾接120Ω终端电阻）。 ### 1.2.电气特性<a name="电气特性"></a> 逻辑 "1"：A 线电压 > B 线电压（差分电压 > +200mV）。 逻辑 "0"：A 线电压 < B 线电压（差分电压 < -200mV）。 ### 1.3.通信规范<a name="通信规范"></a> 主从设备需严格匹配波特率（如9600）、校验方式（奇/偶/无校验）、停止位，否则通信失败。在实际应用中，大多数支持Modbus的设备都默认使用9600波特率，无校验位，8个数据位，1个停止位的Modbus通信参数设置。 Modbus规定仅主机可发起请求，从机被动响应，从机不可主动发送帧报文。 设备通过字符时间间隔来断帧，因此设备发送Modbus报文时，帧间需保持 ≥3.5个字符时间的静默间隔（如9600bps时约4ms）。 超时无响应时，主机自动重发（工业场景通常设3次或者3次以上重试）。 ## 二.报文帧结构<a name="报文帧结构"></a> 整个Modbus帧被称为应用数据单元（ADU），ADU中又包含了协议数据单元（PDU），PDU中包含了真正需要传输的数据，如下图所示。  - 地址：表示通信的目标从机设备（或广播地址）。主机发送请求时指定目标从机地址；从机响应时返回自身地址。地址范围为 1 至 247（0 通常保留用于广播）。 - 功能码：从机需要执行的操作类型。每个功能码对应特定的寄存器访问或控制命令（如读线圈、写寄存器）。功能码决定了后续数据域的格式和含义。常用的Modbus功能码有0x03、0x04、0x06与0x10，其中最常用的功能码是0x03几乎所有支持Modbus的设备都支持功能码0x03。 比较完整的Modbus功能码列表： | 功能码 | **名称** | **操作类型** | **作用** | | ---- | -------- | ---------- | ------------------------------------ | | 0x01 | 读线圈状态 | 位操作（1bit） | 读取从机数字量输出（DO）的通断状态1为ON，0为OFF。 | | 0x02 | 读离散输入 | 位操作（1bit） | 读取从机数字量输入（DI）的状态（如传感器信号）,1为ON，0为OFF。 | | 0x03 | 读保持寄存器 | 字操作（16bit） | 读取从机保持寄存器（可读写，存储模拟量输出或配置参数）。 | | 0x04 | 读输入寄存器 | 字操作（16bit） | 读取从机输入寄存器（只读，如模拟量输入值）。 | | 0x05 | 写单个线圈 | 位操作（1bit） | 强制设置单个线圈状态，FF 00为ON，00 00为OFF。 | | 0x06 | 写单个保持寄存器 | 字操作（16bit） | 修改单个保持寄存器的值（如设定参数）。 | | 0x0F | 写多个线圈 | 位操作（1bit） | 批量设置多个线圈状态（数据按位打包）。 | | 0x10 | 写多个保持寄存器 | 字操作（16bit） | 批量修改多个保持寄存器的值（需指定起始地址和寄存器数量）。 | - 数据：包含功能码操作所需的具体信息，长度和内容由功能码决定，不同功能码的数据详细信息可参考本文第三章《请求与响应示例》。 - 校验码：CRC-16校验 (CRC-16 Checksum)，用于检测数据帧在传输过程中是否发生错误（如比特翻转、丢失）。发送方根据地址、功能码、数据域计算出一个两字节的CRC值附加在帧尾。接收方重新计算CRC并与接收到的CRC值比较，若不匹配则丢弃该帧，确保通信数据的完整性。 ## 三.请求与响应报文示例<a name="请求与响应报文示例"></a> 当从机地址为1时，Modbus RTU请求与响应报文示例如下： ### 3.1.读线圈状态0x01<a name="读线圈状态0x01"></a> 功能码0x01，请求读线圈地址0x0000开始的2个线圈，请求帧（主机→从机）：  线圈状态依次为ON，ON，值为（0b 11）0x03响应帧（从机→主机）：  ### 3.2.读离散输入0x02<a name="读离散输入0x02"></a> 功能码0x02，请求读DI地址0x0023开始的10个输入，请求帧（主机→从机）：  DI状态依次为 ON, OFF, ON, OFF, OFF, OFF, ON, OFF。数据为 （0b 01000101）0x45。 ON, OFF。值为 （0b 01）0x01。 响应帧（从机→主机）：  ### 3.3.读保持寄存器0x03<a name="读保持寄存器0x03"></a> 功能码0x03，请求读寄存器0x000A开始的2个值，请求帧（主机→从机）：  寄存器值依次为254（0x00FE）、60000（0xEA60），响应帧（从机→主机）：  ### 3.4.读输入寄存器0x04<a name="读输入寄存器0x04"></a> 功能码0x04，请求读输入寄存器0x006B开始的3个值，请求帧（主机→从机）：  输入寄存器值依次为100（0x64）、1000（0x03E8）、10000（0x2710），响应帧（从机→主机）：  ### 3.5.写单个线圈0x05<a name="写单个线圈0x05"></a> 功能码0x05，请求写线圈0x0005为ON，请求帧（主机→从机）：  响应帧（从机→主机）与请求帧相同。 ### 3.6.写单个寄存器0x06<a name="写单个寄存器0x06"></a> 功能码0x06，请求写寄存器0x0032，值为0x1232，请求帧（主机→从机）：  响应帧（从机→主机）与请求帧相同。 ### 3.7.写多个线圈0x0F<a name="写多个线圈0x0F"></a> 功能码0x0F，请求写线圈地址0x00A5，数量为12（0x0C），线圈状态依次为ON、OFF、OFF、ON、ON、ON、OFF、OFF、ON、OFF、ON、OFF，请求帧（主机→从机）：  响应帧（从机→主机）：  ### 3.8.写多个寄存器0x10<a name="写多个寄存器0x10"></a> 功能码0x10，请求写寄存器地址0x0034，数量为2，值依次为200（0xC8）、2000（0x07D0），请求帧（主机→从机）：  响应帧（从机→主机）：  ## 四.使用控制器收发Modbus报文<a name="使用控制器收发Modbus报文"></a> [RapidECU-F23M](./f23m.html)控制器支持Modbus主机工作模式与从机工作模式。F23M控制器Modbus模块默认设置为9600波特率，无校验位，8个数据位，1个停止位，单帧发送模式（也支持多帧发送模式）。 ### 4.1.发送Modbus报文<a name="发送Modbus报文"></a> 利用ModbusTransmit模块可以发送Modbus报文。 ModbusTransmit发送模块的参数见下表： | 选项 | 选项说明 | 可选值 | | ------------- | ------------------------------------- | ------------------------------------------------------ | | RS485 Channel | RS485 通道 | S485CH1、RS485CH2 | | TX Buffer | 用于发送 Modbus 报文的缓存编号 | 0、1、2、3，当使用单帧发送功能时，只能使用 0；<br>当使用多帧发送功能时，可以使用 0、1、2、3。 | | Slave ID | 设备地址码 | 1-247 | | Function | 功能码 | 03H、04H、06H、10H | | Data Length | 数据长度，不包含 Modbus 报文的地址码、功能码、CRC16 校验码。 | Modbus 报文总长度-4，比如当发送的Modbus报文总长度为8 时，数据长度为4。 | | Sample | 采样时间 | 自定义，通常使用-1 | 模块的用法：按需求为模块设置所有参数，即可发送与指定设备地址相关的Modbus报文（主机模式下通常为周期性发送，从机模式下接收到主机请求报文后发送）。如下图所示：  ### 4.2.接收Modbus报文<a name="接收Modbus报文"></a> 利用ModbusReceive模块可以接收Modbus报文。 ModbusReceive模块的参数见下表： | 选项 | 选项说明 | 可选值 | | ------------- | ------------------ | ------------------------------------------- | | RS485 Channel | RS485 通道 | S485CH1、RS485CH2 | | Function | 功能码 | 03H、04H、06H、10H | | Data Length | 数据长度，Modbus 报文总长度。 | Modbus 报文总长度，比如当接收的Modbus 报文总长度为 8 时，长度为 8。 | | Sample | 采样时间 | 自定义，通常使用-1 | ModbusReceive接收模块有两个输出端口，端口说明见下表： | 端口名称 | 端口说明 | 数据类型 | | ---------- | --------------------------------------------- | ------------------- | | RS485 OK | 是否接收到Modbus帧报文，未收到为0，接收到且CRC正确为1，接收到但CRC错误为2。 | uint8 | | RS485 DATA | RS485报文数据 | uint8（数据的维数取决于数据长度） | 模块的用法：按需求为模块设置所有参数，即可接收总线上的所有Modbus报文（通常在周期性任务中执行）。如下图所示：  ## 五.注意事项<a name="注意事项"></a> **从机异常响应** Modbus通信时，若从机功能码执行失败，从机应返回功能码+0x80（如0x01 83表示读寄存器异常）并附加错误码。 **数据格式** Modbus通信时字操作（如功能码03/04）通常以16位无符号整数或浮点数传输，具体由设备自定义。 **扩展功能码** 部分设备支持自定义功能码（如65-72、100-110），但需参考具体设备手册。 **典型故障** - **地址冲突**：多个从机地址重复设为1。 - **参数不匹配**：波特率/校验位配置错误（如主机波特率19200，从机波特率9600）。 - **物理层问题**：接线错误（如RS485的A/B线反接）、终端电阻缺失、线路干扰等。 **调试方法** - 测量RS485总线电压：静态时A+≈3V（一般大于2V）、B-≈0V；动态传输时使用示波器查看电压波形。 - 使用串口调试助手、抓包工具等软件协助分析请求/响应报文。
