Modbus 协议核心知识学习笔记

一、Modbus 事务处理

Modbus 是一个请求与应答的通信协议。它像一次对话，主设备（客户端）发起请求，从设备（服务器端）进行处理并回复响应。

为了适应不同的网络（如串口RS485、以太网TCP/IP），Modbus 协议分为两层：

PDU（协议数据单元） ：这是协议的核心，与具体网络无关。格式固定为：功能码 + 数据。功能码告诉从设备要做什么（如读或写），数据区提供具体信息（如寄存器地址、数量）。
ADU（应用数据单元） ：这是在 PDU 基础上，为适应具体传输网络而增加的完整数据包。在串行网络中，它会在 PDU 前加上从设备地址 ，在后面加上差错校验码（如CRC）。

通用 Modbus 帧（ADU）结构如下：

地址域	功能域 (PDU)	差错校验
1字节	功能码 (1字节) + 数据 (N字节)	2字节 (如CRC)

正常处理：主设备发送查询ADU。从设备收到后，执行功能码指定的操作，然后返回一个正常的响应ADU。响应中通常包含原功能码和请求的数据或操作确认。
异常处理 ：如果从设备接收到的请求有错误（如功能码不支持、寄存器地址不存在），它会返回一个异常响应。异常响应的功能码是在原功能码的最高位加上1（即原功能码值 + 0x80），并附带一个异常码来说明错误原因。

功能码是 Modbus 协议的灵魂，它定义了操作的类型。功能码主要分为三类：公共功能码（已明确定义）、用户自定义功能码（65-72, 100-110）和保留功能码。

以下是常用的公共功能码详解：

功能：读取从设备线圈（即可读可写的数字量输出DO）的ON/OFF状态。
查询报文：需指定起始线圈地址（2字节，从0开始）和要读取的线圈数量（2字节，1-2000）。
响应报文 ：返回一个字节计数，后面跟着状态数据。每个线圈的状态用1个比特（bit）表示（1=ON, 0=OFF），8个线圈的状态 packed 成1个字节。字节内的顺序是：第一个字节的最低位（LSB）对应起始地址线圈的状态。
举例：读线圈地址19开始的37个状态。响应需要5个字节来存放37个比特的状态信息。

功能：读取从设备保持寄存器（即可读可写的模拟量或参数，16位）的值。
查询报文：需指定起始寄存器地址（2字节）和要读取的寄存器数量（2字节，1-125）。
响应报文：返回一个字节计数（=寄存器数量 × 2），后面跟着每个寄存器的数据（每个寄存器2字节，高字节在前）。
重要提示 ：保持寄存器以字（Word，2字节） 为单位。若要读取32位浮点数，需要连续读取2个寄存器（4字节），并注意主从设备之间字节序（大小端）必须一致。

功能：用于通信链路诊断和内部故障检测。通过2字节的子功能码区分具体诊断类型。
常见子功能码：
- 0x0000：原样返回查询数据（用于回环测试）。
- 0x0001：重启通信选项。
- 0x000A：清除计数器和诊断寄存器。
- 0x000B-0x0012：返回各种通信错误计数（如CRC错误、异常响应、设备忙等计数）。
响应报文：通常根据子功能码返回相应的诊断数据。

当从设备无法正常处理请求时，会返回异常响应。

异常响应格式：
- 功能码 = 原始请求功能码 + 0x80（即将最高位置1）。
- 数据区 = 1字节的异常码。
常见异常码：
- 01：非法功能码（不支持该功能）。
- 02：非法数据地址（请求的寄存器地址不存在）。
- 03：非法数据值（发送的数据超出有效范围或格式错误）。
- 04：从站设备故障（从设备内部执行错误）。

举例：主设备发送功能码04请求读取不存在的输入寄存器。从设备返回功能码 0x84 (04+0x80) 和异常码 0x02。

牢记四种寄存器：结合硬件理解线圈（DO）、离散输入（DI）、保持寄存器（AO/参数）、输入寄存器（AI）。
理解通信模型：掌握"地址+功能码+数据+校验"的ADU结构，以及"请求-响应"的事务流程。
区分位与字操作：
- 功能码 01, 02, 05, 15 操作位（比特），状态打包在字节里。
- 功能码 03, 04, 06, 16 操作字（2字节），数据以16位为单位传输。
注意地址起始 ：在协议PDU中，所有线圈和寄存器地址都从0开始计数。
关注广播模式：功能码05、06、15、16支持广播（地址0），用于同时控制所有从设备。
警惕字节序问题 ：处理32/64位数据（浮点数）时，必须在主从设备间约定好字节顺序（大端或小端）。
看懂异常响应：功能码值大于0x80表示异常，需根据异常码排查问题。

通过分析具体功能码的报文示例，并理解正常与异常的处理路径，可以深入掌握 Modbus 协议的工作机制，为实际开发和调试打下坚实基础。