| Date | Author | Version | Note |
|---|---|---|---|
| 2022.07.19 | Dog Tao | V1.0 | 1. 完成了文档的撰写。 |
| 2023.08.04 | Dog Tao | V1.2 | 1. 修订文档，增加了Modbus协议简介小节。 |
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文章目录
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- Modbus协议简介
- 基本规范与功能码
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- Modbus寄存器地址规则
- [Modbus RTU报文基本格式](#Modbus RTU报文基本格式)
- 功能码01：读线圈寄存器（开关量输出）
- 功能码02：读离散寄存器（开关量输入）
- 功能码03：读保持寄存器（模拟量输出）
- 功能码04：读输入寄存器（模拟量输入）
- 功能码05：写单线圈（开关量输出）
- 功能码06：写单保持寄存器（模拟量输出）
- [功能码15 (0x0F)：写多线圈（开关量输出）](#功能码15 (0x0F)：写多线圈（开关量输出）)
- [功能码16 (0x10)：写多保持寄存器（模拟量输出）](#功能码16 (0x10)：写多保持寄存器（模拟量输出）)
- 读寄存器测试指令
Modbus协议简介
发展历史
Modbus是一种通信协议，广泛用于工业控制系统之间的通信。它由Modicon（现在的施耐德电气）于1979年开发，用于与其PLC（可编程逻辑控制器）进行通信。Modbus协议主要有两个版本：Modbus RTU和Modbus TCP/IP。
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Modbus RTU：Modbus RTU是一种串行通信协议，通常在RS-485串行接口上运行。它是二进制协议，数据在总线上以连续字节的形式传输。每条消息都以设备地址开始，由功能代码（指示操作类型）和数据字节（包含操作数据）组成，并以两字节的循环冗余校验（CRC）结束，用于检测消息传输中的错误。
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Modbus TCP/IP：Modbus TCP/IP是基于以太网的Modbus协议版本。它在Modbus RTU的基础上增加了MBAP（Modbus Application Protocol）头部，以在TCP/IP网络上提供设备寻址和错误检测。Modbus TCP/IP通常在502端口上运行。
主要技术说明
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寻址：在Modbus协议中，每个设备都有一个唯一的地址。在RS-485网络中，地址范围是0-247。地址0是广播地址，发送到此地址的消息将被网络上的所有设备接收。
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寄存器：Modbus设备包含四种类型的寄存器：离散输入（只读）、线圈（可读写）、输入寄存器（只读）和保持寄存器（可读写）。每个寄存器都有一个唯一的地址，用于从设备读取或向设备写入数据。
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功能代码：Modbus协议定义了一组功能代码，用于指示要执行的操作，如读取寄存器（功能代码03或04）或写入寄存器（功能代码06或16）。如果设备不能执行请求的操作，它将返回一个异常响应，包含一个错误码。
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消息格式：Modbus消息由地址、功能码、数据和错误检查部分组成。在Modbus RTU中，错误检查通过CRC实现，而在Modbus TCP/IP中，通过MBAP头部的协议标识符和长度字段实现。
Modbus协议是一种简单、开放的协议，广泛用于工业自动化和嵌入式系统应用。尽管它已经存在了几十年，但由于其稳定性和易用性，它仍然是工业通信的主要标准之一。
基本规范与功能码
Modbus寄存器地址规则
Modbus协议定义的寄存器地址是5位十进制地址，即：
- 线圈寄存器（Coils Register）地址：00001~09999
- 离散寄存器（Discrete Register）地址：10001~19999
- 输入寄存器（Input Register）地址：30001~39999
- 保持寄存器（Holding Register）地址：40001~49999
由于上述各类地址是唯一对应的，因此有些资料就以其第一个数字区分各类地址 ，即：++0x代表线圈寄存器（CR）类地址，1x代表离散寄存器（DR）类地址、 3x代表输入寄存器（IR）类地址、4x代表保持寄存器（HR）类地址++。
在实际编程中，由于前缀的区分作用，所以只需说明后4位数，而且需转换为4位十六进制地址。
Modbus RTU报文基本格式
| 间隔 | 目标站号 | 功能码 | 数据 | CRC16校验 |
|---|---|---|---|---|
| 起始应有不小于3.5个字符的报文间隔 | 1字节 | 1字节 | n字节 | 2字节 |
下面对于各请求命令的"应答格式"的描述是指命令被正确执行时的应答格式。若CPU接收到错误的命令或者命令被执行错误，则返回的应答帧中"功能码"部分变为如下数据：功能码的最高位置1后得到的数据。比如功能码为01，若响应错误，则返回的功能码为0x81。
功能码01：读线圈寄存器（开关量输出）
- 请求格式：
| 目标站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址 低字节 | 读取个数 高字节 | 读取个数 低字节 | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 01 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
- 正确应答格式：
| 站号 | 功能码 | 返回数据字节数 | 返回数据字节1 | 返回数据字节2 | ... | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 01 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | ... | 2字节 |
功能码02：读离散寄存器（开关量输入）
- 请求格式：
| 目标站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址 低字节 | 读取个数 高字节 | 读取个数 低字节 | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 02 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
- 正确应答格式：
| 站号 | 功能码 | 返回数据字节数 | 返回数据字节1 | 返回数据字节2 | ... | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 02 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | ... | 2字节 |
功能码03：读保持寄存器（模拟量输出）
- 请求格式：
| 目标站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址 低字节 | 读取个数 高字节 | 读取个数 低字节 | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 03 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
- 正确应答格式：
| 站号 | 功能码 | 返回数据字节数 | 寄存器1高字节 | 寄存器1低字节 | ... | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 03 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | ... | 2字节 |
功能码04：读输入寄存器（模拟量输入）
- 请求格式：
| 目标站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址 低字节 | 读取个数 高字节 | 读取个数 低字节 | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 04 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
- 正确应答格式：
| 站号 | 功能码 | 返回数据字节数 | 寄存器1高字节 | 寄存器1低字节 | ... | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 04 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | ... | 2字节 |
功能码05：写单线圈（开关量输出）
- 请求格式：
| 目标站号 | 功能码 | 线圈地址 高字节 | 线圈地址 低字节 | 强制值 高字节 | 强制值 低字节 | CRC校验码 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 05 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
注：强制值＝ 0xFF00，则置线圈为ON；强制值＝0x0000，则置线圈为OFF。
- 应答格式：若设置成功，原文返回
功能码06：写单保持寄存器（模拟量输出）
- 请求格式：
| 目标站号 | 功能码 | 寄存器地址 高字节 | 寄存器地址 低字节 | 强制值 高字节 | 强制值 低字节 | CRC校验码 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 06 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
- 应答格式：若设置成功，原文返回
功能码15 (0x0F)：写多线圈（开关量输出）
- 请求格式：
| 目标 站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址低字节 | 数量 高字节 | 数量 低字节 | 强制值字节数 | 强制值 第1字节 | ... | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 15 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | ... | 2字节 |
- 正确应答格式：
| 目标站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址低字节 | 数量 高字节 | 数量 低字节 | CRC校验码 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 15 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
功能码16 (0x10)：写多保持寄存器（模拟量输出）
- 请求格式：
| 目标 站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址低字节 | 数量 高字节 | 数量 低字节 | 强制值字节数 | 强制值1 高字节 | 强制值1 低字节 | ... | CRC |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 16 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | ... | 2字节 |
- 正确应答格式：
| 目标站号 | 功能码 | 起始地址 高字节 | 起始地址低字节 | 数量 高字节 | 数量 低字节 | CRC 校验码 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1字节 | 16 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 1字节 | 2字节 |
读寄存器测试指令
线圈寄存器-读命令（0x01）
| 从机地址 | 寄存器地址 | 寄存器数量 | 网络指令 | modbus指令 | 说明 | 参考回复 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 01 03 E7 00 01 4D B9 | 读取输入寄存器第一个位值 | 01 01 01 00 51 88 |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 01 03 E7 00 02 0D B8 | 读取输入寄存器前二个位值 | |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 01 03 E7 00 04 8D BA | 读取输入寄存器前四个位值 | |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 01 03 E7 00 08 8D BF | 读取输入寄存器前八个位值 |
离散寄存器-读命令（0x02）
| 从机地址 | 寄存器地址 | 寄存器数量 | 网络指令 | modbus指令 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 02 03 E7 00 01 09 B9 | 读取输入寄存器第一个位值 |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 02 03 E7 00 02 49 B8 | 读取输入寄存器前二个位值 |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 02 03 E7 00 04 C9 BA | 读取输入寄存器前四个位值 |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 02 03 E7 00 08 C9 BF | 读取输入寄存器前八个位值 |
保持寄存器-读命令（0x03）
| 从机地址 | 寄存器地址 | 寄存器数量 | 网络指令 | modbus指令 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 03 03 E7 00 02 74 78 | 读取输入寄存器第一个32位数值（浮点数） |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 03 03 E7 00 04 F4 7A | 读取输入寄存器前二个32位数值（浮点数） |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 03 03 E7 00 08 F4 7F | 读取输入寄存器前四个32位数值（浮点数） |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 03 03 E7 00 10 F4 75 | 读取输入寄存器前八个32位数值（浮点数） |
输入寄存器-读命令（0x04）
| 从机地址 | 寄存器地址 | 寄存器数量 | 网络指令 | modbus指令 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 04 03 E7 00 02 C1 B8 | 读取输入寄存器第一个32位数值（浮点数） |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 04 03 E7 00 04 41 BA | 读取输入寄存器前二个32位数值（浮点数） |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 04 03 E7 00 08 41 BF | 读取输入寄存器前四个32位数值（浮点数） |
| 0x01 | 0x999 | 0x02 | 00 32 17 | 01 04 03 E7 00 10 41 B5 | 读取输入寄存器前八个32位数值（浮点数） |