Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点）

文章目录

[Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点与最佳实践）](#Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点与最佳实践）)
- [1. Modbus 是啥（一句话版）](#1. Modbus 是啥（一句话版）)
- [2. 数据模型：四类"地址空间"](#2. 数据模型：四类“地址空间”)
- [3. 传输形态与帧结构](#3. 传输形态与帧结构)
- - [3.1 Modbus RTU（串口）](#3.1 Modbus RTU（串口）)
  - [3.2 Modbus TCP（以太网）](#3.2 Modbus TCP（以太网）)
- [4. 必背功能码（现场 90% 用这些）](#4. 必背功能码（现场 90% 用这些）)
- [5. 地址与数据编码的坑](#5. 地址与数据编码的坑)
- [6. 最小闭环：如何"正确把数读出来"](#6. 最小闭环：如何“正确把数读出来”)
- - [6.1 串口（RTU）最小步骤](#6.1 串口（RTU）最小步骤)
  - [6.2 以太网（TCP）最小步骤](#6.2 以太网（TCP）最小步骤)
- [7. 异常响应（错误码）速记](#7. 异常响应（错误码）速记)
- [8. 小示例（思路级伪代码）](#8. 小示例（思路级伪代码）)
- - [8.1 读保持寄存器（TCP）](#8.1 读保持寄存器（TCP）)
  - [8.2 写单个寄存器（RTU）](#8.2 写单个寄存器（RTU）)
- [9. 现场调试清单（拎着就走）](#9. 现场调试清单（拎着就走）)
- [10. 常见 FAQ](#10. 常见 FAQ)
- [11. 你可能用得上的补充知识点](#11. 你可能用得上的补充知识点)
- [12. 一页速查卡（Cheat Sheet）](#12. 一页速查卡（Cheat Sheet）)

Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点与最佳实践）

这篇当做一份能落地的备忘录：概念够用、步骤清晰、功能码一页记住，顺手补上常见坑和调试要点。少花时间踩雷，多花时间把数读对。

1. Modbus 是啥（一句话版）

工业现场最常见的主从式（Client/Server）通信协议之一。串口时代用 RTU/ASCII （走 RS-485/RS-232），以太网时代用 Modbus TCP（端口 502）。简单、稳定、跨厂商通用，但无认证、无遮挡------生产网请收口隔离。

2. 数据模型：四类"地址空间"

设备内部数据被抽象成 4 类寄存器/位，读写行为受功能码约束：

Coils（线圈）：开关量输出，布尔，可读写
Discrete Inputs（离散输入）：开关量输入，布尔，只读
Holding Registers（保持寄存器）：16 位寄存器，可读写（常用来存参数/输出）
Input Registers（输入寄存器）：16 位寄存器，只读（常用来读测量值）

传统文档里会看到 0xxxx/1xxxx/3xxxx/4xxxx 的"人类友好地址"，协议帧里没有这些前缀 ，只有零基地址 。是否偏移 +1 ，各家实现不一------最容易踩坑，下文有对策。

3. 传输形态与帧结构

3.1 Modbus RTU（串口）

物理层：常见 RS-485 半双工，多点总线

帧格式（请求示例，读保持寄存器 0x03）

复制代码

[SlaveID][Func][StartAddrHi][StartAddrLo][QtyHi][QtyLo][CRCLo][CRCHi]

响应：

复制代码

[SlaveID][Func][ByteCount][Data(2*N bytes)][CRCLo][CRCHi]

CRC16：初值 0xFFFF，多项式 0xA001（低字节在前）
定时：帧间至少 3.5 字符时间 静默；字符间不应超过 1.5 字符时间，否则被视为断帧

3.2 Modbus TCP（以太网）

端口 502，不带 CRC，在 TCP 里靠 MBAP 头

MBAP Header：

复制代码

[TransactionID(2)][ProtocolID=0(2)][Length(2)][UnitID(1)]

随后是 PDU ：[Func][Data...]

UnitID：穿透网关时用来指明下游 RTU 的从站地址；直连纯 TCP 设备时通常固定为设备定义的值（常见 1）

术语对齐：
PDU （Protocol Data Unit）= 功能码 + 数据；
ADU（Application Data Unit）= 传输介质相关的完整帧（RTU=地址+PDU+CRC，TCP=MBAP+PDU）。

4. 必背功能码（现场 90% 用这些）

功能码	名称	读写	典型用途
01 (0x01)	Read Coils	读	开关量输出状态
02 (0x02)	Read Discrete Inputs	读	开关量输入状态
03 (0x03)	Read Holding Registers	读	读参数、模拟量、运算结果
04 (0x04)	Read Input Registers	读	读传感器测量值
05 (0x05)	Write Single Coil	写	置位/复位一个线圈
06 (0x06)	Write Single Register	写	写入一个保持寄存器
0F (0x0F)	Write Multiple Coils	写	批量写线圈
10 (0x10)	Write Multiple Registers	写	批量写保持寄存器
17 (0x17)	Read/Write Multiple Registers	读写	一次性读写寄存器（少见但高效）

其他常见但非必背：
08 诊断、11 报告设备 ID、14/15 文件记录、16 掩码写寄存器、18 读 FIFO、2B/0E （设备识别，Modbus TCP 常见）。
广播地址 0（仅 RTU/ASCII）：无响应，只能用于部分写操作。

5. 地址与数据编码的坑

偏移问题（0/1 基）
- 设备手册写"40001"的点，协议里通常发 0x0000。
- 有的厂商把"寄存器号 40001"直接当 1 用。
- 对策：先读一个已知值的寄存器，连着试 addr 和 addr-1，一眼就能确认。
字节序 & 字序
- 单个寄存器 16 位：**大端字节序（高字节在前）**是 Modbus 约定。
- 32 位/64 位：跨两个/多个寄存器时，不同厂商可能字序交换（word swap），甚至"字节+字都交换"。
- 对策：拿一个易识别常量（如 1.0f、1000 或时间戳）对照，快速判别组合方式。
布尔打包
- 01/02 返回的位是从 LSB 开始依序装在字节里；第 0 位对应请求的起始地址。

6. 最小闭环：如何"正确把数读出来"

6.1 串口（RTU）最小步骤

物理层：两线 RS-485，末端 120Ω 终端电阻 ，总线两端加，偏置电阻/Fail-safe建议到位。
接口参数：波特率/数据位/校验/停止位要与设备一致（常见 9600/19200，8E1 或 8N1）
从站地址：1--247，确定唯一
先用 功能码 03 读一个已知寄存器，确认地址偏移与字节/字序
写操作先在仿真/非产线环境验证，避免误动作

6.2 以太网（TCP）最小步骤

设备 IP、端口 502 可达；生产网请VLAN/ACL隔离
若通过网关转 RTU，UnitID 必须为下游 RTU 的从站地址
仍旧用 03 做握手验证，再扩展到批量读写

7. 异常响应（错误码）速记

当设备返回的功能码最高位被置 1（如请求 0x03，响应 0x83），随后的一个字节是异常码：

01：非法功能（该设备不支持这个功能码）
02：非法数据地址（寄存器不存在/不可达）
03：非法数据值（长度、范围不合法）
04：从站设备故障（内部错误）
05：已接收请求，处理需时间（少见）
06：从站忙
08：存储奇偶错误
0A/0B：网关路径不可达 / 目标设备无响应（TCP-RTU 网关场景）

读到这些，先检查功能码是否对、地址是否对、长度是否越界、权限是否允许。

8. 小示例（思路级伪代码）

8.1 读保持寄存器（TCP）

text 复制代码

目标：读设备 10.0.0.5 上保持寄存器起始 0（40001）起的 2 个寄存器，UnitID=1

请求PDU: [0x03][0x00 0x00][0x00 0x02]
MBAP: TxID任意; ProtID=0; Length = PDU长度 + UnitID(1)
完整: MBAP + [UnitID=0x01] + PDU
响应: [0x03][0x04][Data0Hi Data0Lo Data1Hi Data1Lo]
把两个寄存器按设备手册组合成 32 位（注意字序）

8.2 写单个寄存器（RTU）

复制代码

[SlaveID][0x06][AddrHi][AddrLo][DataHi][DataLo][CRCLo][CRCHi]
响应会回显同样内容，CRC 校验一致

9. 现场调试清单（拎着就走）

物理层：A/B 极性 各家标法不一（有厂商 A=--，B=+），不通就对调再测；总线只在两端加终端电阻
串口参数：波特率/校验必须匹配；RTU 帧间隔别被驱动层无意拉大
地址：先 03 读一个已知值 ；不通就试addr 与 addr-1
数据：确认字节序+字序；浮点/整型转换别混
网关：TCP 的 UnitID 与下游从站地址一致
安全：端口 502 不外曝；分区分域，必要时加网关白名单/隧道
抓包：以太网可用抓包器看 MBAP/PDU；串口用 USB-485 + 串口监视工具

10. 常见 FAQ

能广播写吗？ RTU/ASCII 可用从站地址 0 做无应答写（仅部分写类功能支持），TCP 没有广播。
一次最多读多少？ 标准上寄存器读常见上限 125（字），线圈 2000（位）；很多设备更保守。
为什么读 32 位总是错位？ 你和设备对"高字在前/低字在前"的理解不一致。先读一组已知值或文档示例校对字序。
能否混合长短帧？ RTU 要求一个帧内连续发送，字符间隔不要超过 1.5 字符时间。

11. 你可能用得上的补充知识点

ASCII 模式 ：以 : 开头、结尾 \r\n、校验 LRC，人眼可读但效率低，现代现场罕用
文件记录/设备识别：0x14/0x15/0x2B-0x0E 能读设备序列号、版本等，做资产盘点挺香
时间同步：无内建时钟同步，通常通过写寄存器实现（厂商自定义）
冗余：协议本身不管冗余，靠上层逻辑或网络结构实现

12. 一页速查卡（Cheat Sheet）

必用功能码：01/02/03/04/05/06/0F/10（+ 17 进阶）
地址：文档 40001 ⇄ 帧里 0x0000（小心 +1 偏移）
字节序 ：寄存器大端；跨寄存器字序不定，实测为准
RTU 定时：帧间 ≥ 3.5 char；CRC16 初值 0xFFFF，多项式 0xA001
TCP ：端口 502；MBAP 有 TransactionID/Length/UnitID；无 CRC
异常码：01/02/03/04 最常见
安全：不暴露公网，网关/ACL 掐死