Modbus协议详解与案例演示

Modbus RTU通讯协议在数据通讯上采用主从应答的方式进行。只能由主机（PC，HMI等）通过唯一从机地址发起请求，从机（终端设备）根据主机请求进行响应，即半双工通讯。该协议只允许主机发起请求，从机进行被动响应，因此从机不会主动占用通讯线路造成数据冲突。

类似Modbus RTU协议的主从应答协议还有西门子的PPI、电表常用的DL/T645-2007等协议。

一、协议格式

信息传输为异步方式，使用16进制进行通讯，信息帧格式：

地址码	功能码	数据区	CRC校验码
1字节	1字节	N字节	2字节

地址码

地址码是每个通讯信息帧的第一个字节，一般支持1到247，部分设备也支持0地址，用于接收主机的广播数据，每个从机在总线上地址必须唯一，只有与主机发送的地址码相符的从机才能响应返回数据。

功能码

功能码是每个通讯信息帧的第二个字节。主机发送，通过功能码告知从机设备应当执行何种操作。

常见的八种功能码：

功能码	定义	操作
01H	读取线圈	读取一个或多个连续线圈状态
05H	写单个线圈	操作指定位置的线圈状态
0FH	写多个线圈	操作多个连续线圈状态
02H	读取离散量输入	读取一个或多个连续离散输入状态
04H	读取输入寄存器	读取一个或多个连续输入寄存器数据
03H	读保持寄存器	读取一个或多个保持寄存器数据
06H	写单个保持寄存器	把两个十六进制数据写入对应位置
10H	写多个保持寄存器	把4*N个十六进制数据写入N个连续保持寄存器

数据区

数据区随功能码以及数据方向的不同而不同，这些数据可以是“寄存器首地址+读取寄存器数量”、“寄存器地址+操作数据”、“寄存器首地址+操作寄存数量+数据长度+数据”等不同的组合，在“功能码分析”详解不同功能码的数据区。

Modbus CRC校验

Modbus RTU协议常用与工业现场对数据传输的稳定性和正确性有较高的要求，因此通过CRC校验保证数据传输的正确性和完整性。

二、错误反馈

地址与CRC校验错误并不会收到从机的数据反馈，其他错误将向主机返回错误码。数据帧的第二位加上0X80表示请求发生错误（非法功能码、非法数据值等），错误数据帧如下：

地址码	功能码	错误码	CRC校验码
1字节	1字节	1字节	2字节

常见错误码如下：

值	名称	说明
01H	非法的功能码	不支持该功能码操作寄存器
02H	非法的寄存器地址	访问设备禁止访问的寄存器
03H	非法的数据值	写入不支持的参数值
04H	从机故障	设备工作异常

三、通讯信息传输过程

通讯命令由主机发送从机时，与主机发送的地址码相符的从机接收通讯命令，如果CRC校验无误，则执行相应的操作，然后把执行结果（数据）返回给主机。返回信息中包含地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果地址不匹配或者CRC校验出错就不返回任何信息。

四、功能码分析

功能码01H：读线圈

例如：主机要读取从机地址为01H，起始线圈地址为00H的1个线圈状态，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		01
起始线圈地址	高字节	00
	低字节	00
线圈数量	高字节	00
	低字节	01
CRC校验	低字节	FD
	高字节	CA

如果从机寄存器00H线圈闭合，从机返回：

从机返回		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		01
字节数		01
线圈状态		01
CRC校验码	低字节	90
	高字节	48

仿真演示：

 

功能码05H：写单个线圈

例如：主机要控制从机地址为01H，线圈地址为0000H的线圈状态，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		01
线圈地址	高字节	00
	低字节	00
控制方式	高字节	00(断开)、FF(闭合)
	低字节	01
CRC校验	低字节	XX
	高字节	XX

从机返回与主机请求相同；

仿真演示：

 

功能码0FH：写多个线圈

例如：主机要控制从机地址为01H，起始线圈地址为00H的4个线圈状态，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		0F
起始线圈地址	高字节	00
	低字节	00
线圈数量	高字节	00
	低字节	04
写入字节数		01
控制方式		00(全部断开)、0F(全部闭合)
CRC校验	低字节	XX
	高字节	XX

功能码0FH操作，从机返回：

从机返回		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		0F
起始线圈地址	高字节	00
	低字节	00
线圈数量	高字节	00
	低字节	04
CRC校验	低字节	54
	高字节	08

仿真演示：

 

功能码02H：读离散输入

例如：主机要读取从机地址为01H，起始离散量地址为00H的4个输入状态，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		02
起始离散量地址	高字节	00
	低字节	00
读取数量	高字节	00
	低字节	04
CRC校验	低字节	79
	高字节	C9

如果从机首地址00H开始的4离散输入全部检测到输入，从机返回：

从机返回		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		02
字节数		01
离散输入状态		0F
CRC校验码	低字节	E1
	高字节	8C

仿真演示：

 

功能码04H：读取输入寄存器

例如：主机要读取从机地址为01H，起始寄存器地址为02H的1个输入寄存器数据，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		04
起始寄存器地址	高字节	00
	低字节	02
寄存器数量	高字节	00
	低字节	01
CRC校验	低字节	90
	高字节	0A

如果从机输入寄存器02H的数据为3344H，从机返回：

从机返回		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		04
字节数		02
寄存器05H数据	高字节	33
	低字节	44
CRC校验码	低字节	AD
	高字节	F3

仿真演示：

 

功能码03H：读保持寄存器

例如：主机要读取从机地址为01H，起始寄存器地址为05H的2个保持寄存器数据，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		03
起始寄存器地址	高字节	00
	低字节	05
寄存器数量	高字节	00
	低字节	02
CRC校验	低字节	D4
	高字节	0A

如果从机保持寄存器05H、06H的数据为1122H、3344H，从机返回：

从机返回		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		03
字节数		04
寄存器05H数据	高字节	11
	低字节	22
寄存器06H数据	高字节	33
	低字节	44
CRC校验码	低字节	4B
	高字节	C6

仿真演示：

 

功能码06H：写单个保持寄存器

例如：主机写入9988H的数据给从机地址为01H，寄存器地址为0050H的寄存器，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		06
寄存器地址	高字节	00
	低字节	50
写入值	高字节	99
	低字节	88
CRC校验	低字节	E3
	高字节	ED

从机返回与主机请求相同；

 

功能码10H：写多个保持寄存器

例如：主机要把数据0005H、2233H保存到从机地址为01H，起始寄存器地址为0020H的2个寄存器中，主机发送：

主机发送		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		10
起始寄存器地址	高字节	00
	低字节	20
寄存器数量	高字节	00
	低字节	02
写入字节数		04
0000H 寄存器待写入	高字节	00
	低字节	05
0001H 寄存器待写入	高字节	22
	低字节	33
CRC校验	低字节	B9
	高字节	03

功能码10H操作，从机返回：

从机返回		发送数据（HEX）
地址码		01
功能码		10
起始寄存器地址	高字节	00
	低字节	20
寄存器数量	高字节	00
	低字节	02
CRC校验	低字节	40
	高字节	02

仿真演示：

审核编辑 ：李倩