Modbus 协议介绍

Modbus RTU 是一种基于串口通信（RS-232/RS-485）的主从式通信协议。主站（Master）发起请求报文，从站（Slave）响应报文。通信采用二进制帧结构，带 CRC16 校验，传输效率高，广泛应用于工业自动化领域。

Modbus协议采用主从（以太网的客户端-服务器）架构实现的请求-响应协议。其中有1个中央的主设备（询问器或主机Master）和理论最多 247 个从设备（响应器或从机Slave）连接到同一个网络。

• Modbus阐明了协议类型(协议层)，而RS485定义了协议的信号电平（物理层）。
• 注意：以下示例中，CRC16校验码 是乱写的。如需手动校验 CRC16，可以参考这里 CRC在线计算 ，算法选择 CRC-16-MODBUS。

功能码

常见功能码示例：

• 0x01: 读线圈状态 (Read Coils)
• 0x02: 读离散输入状态 (Read Discrete Inputs)
• 0x03: 读保持寄存器 (Read Holding Registers)
• 0x04: 读输入寄存器 (Read Input Registers)
• 0x05: 写单个线圈 (Write Single Coil)
• 0x06: 写单个寄存器 (Write Single Register)
• 0x0F: 写多个线圈 (Write Multiple Coils)
• 0x10: 写多个寄存器 (Write Multiple Registers)

异常码

当原始请求功能码 + 0x80（即最高位置 1），即为异常功能码。

异常码是单字节值（范围 0x01–0x0B），定义了具体的错误类型。以下是标准异常码及含义：

注：异常码 0x09 和 0x0C–0xFF 为保留码，标准未定义。

从机地址

从机地址占一个字节，同一个 RS485 总线上的设备从机地址必须唯一。

• 当从机地址为 0 的时候，视为广播消息。
• 可用地址 1 ～ 247
• 保留地址 248 ～ 255

单播和广播

支持单播和广播两种模式。

单播消息

• 主节点向从节点发送明确的命令并处理响应。
• 主节点同一时间只能启动一个Modbus事务。一个MODBUS事务包括2条消息：主站的请求和从站的回复。
• 从节点不会主动发起通讯。
• 从节点之间永远不会相互通信。

广播消息

• 从机地址为 0。
• 无响应（No Response）广播消息不要求任何从站返回响应。主站发送后立即结束本次通信，不会等待从站应答（即使从站成功执行指令）。
• 广播仅支持写入类指令，禁止使用读取类功能码（否则会导致网络冲突或无意义行为）。支持的功能码包括：0x05、0x06、0x0F、0x10.
• 常用语：同步控制、系统初始化、时间同步等。

寄存器地址

modbus实际上并非使用PLC地址作为读写地址，而是使用modbus地址。由于modbus地址是从0开始的，其换算规则如下：

比如某个属性的地址为411234，则实际上modbus读写的地址为411234-410001=1233。

CRC校验

• 计算 modbusRTU 的 CRC16 校验码的代码

function modbusCRC16(buffer) {
    let crc = 0xFFFF;
    for (let b of buffer) {
        crc ^= b;
        for (let i = 0; i < 8; i++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc & 0xFFFF;
}

// 示例
const message = [0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0A];
const crc = modbusCRC16(message);
console.log("CRC16:", crc.toString(16).toUpperCase());

线圈

• 一个线圈对应一个继电器（因为继电器里面有电磁线圈）
• 每一个线圈有独立的 2 字节地址
• 默认读线圈是读取多个
• 支持单个线圈写入和多个线圈写入

数据类型

参考 Modbus Poll，常见数据格式：

Modbus 字节序

MODBUS 使用“大端”表示法来处理地址和数据项。这意味着当传输大于单字节的数值时，最重要的字节首先发送。例如：

例如，一个 16 位（ (2 Byte ，也叫做 1 个 Word)）的寄存器的值 = 0x1234，首先发送的字节是0x12，然后是0x34。

Big-endian（大端） 是计算机科学中用于描述多字节数据存储方式的一个术语。在计算机存储数据时，数据可以以不同的字节顺序存储。

Big-endian 指的是在多字节数据中，最"重要"的字节（通常是最高位字节）存储在最低的内存地址处（地址总是从左到右递增），而剩余的字节按照重要性递减的顺序存储在更高的内存地址处。这种存储方式类似于书写和阅读时的从左到右顺序。

与之相反的是 "Little-endian"（小端），它将最低位字节存储在最低的内存地址处（左侧），而最高位字节存储在最高的内存地址处。

例如：寄存器值 0x1234 在报文中表示为：12 34

虽然标准规定寄存器是 高字节在前 (AB)，但是 部分设备/厂家可能会用 Little-Endian (BA) 来存储或解析 16bit 数据。

由于 32-bit 数据需要两个寄存器表示，不同设备采用不同的字节序（ByteOrder） 和 WordOrder。常见的字节序组合如下：

以 16-bit 数据 0x1234 , 32-bit 数据 0x12345678 为例，

四种数据表

四种基本的数据表，分别是离散量（Discrete Inputs）、线圈（Coils）、输入寄存器（Input Registers）和保持寄存器（Holding Registers）。

功能码 0x01 — 读线圈状态

示例:

• 请求：01 01 [ 00 13 ] [ 00 0A ] 0E 84

  (读从站 0x01，起始地址 0x0013，读 0x000A=10 个线圈)

• 响应：01 01 05 [ 4D 01 ] 45 E6

  (返回 10 个线圈状态，所以返回数据需要 2个字节)

关于地址格式：
Modbus 线圈地址从 0 开始（如 0 表示第一个线圈）。
注意：部分设备文档使用 1 起始地址（即地址 1 对应协议中的 0），需根据设备手册转换。


关于位序（Bit Order）：

协议规定：Modbus 采用 小端序（Little-Endian） 的位排列方式。
字节内位序：在响应数据中，一个字节包含 8 个线圈状态，最低位（LSB, Bit 0）对应起始地址最小的线圈。

示例：读取地址 0 到 7 的线圈，返回字节 0xCD（二进制 11001101）：

- `Bit 0`（LSB）→ 线圈 `0`  
- `Bit 1` → 线圈 `1`  
- ...  
- `Bit 7`（MSB）→ 线圈 `7`

所以，对于此次读取的返回值：

- 4D（二进制 01001101）：线圈 0-7 状态。线圈 0 是 on
- 01（二进制 00000001）：线圈 8-15 状态（实际只用到 8-9）。

后面的离线输入的位序和线圈是一样的。

请求报文

响应报文

功能码 0x02 — 读离散输入

此功能码是读取离散输入状态（即只读的开关量信号，如传感器状态、限位开关等）。每个位（bit）表示一个输入点的状态（1=ON，0=OFF）

地址与线圈的区别：

• 读离散输入（0x02）：只读信号（如传感器输入）。
• 读线圈（0x01）：可读写信号（如继电器输出）。

报文结构如下：

• 地址范围 1-65536
• 起始地址 2字节 要读取的第一个离散输入地址（多数设备从 地址 0 开始计数，但部分设备手册可能使用 地址 1）。
• 读取数量 2字节 要读取的离散输入数量（1~2000）

请求报文

响应报文

• 字节数：返回数据的字节数，每个字节包含 8 个输入状态（高位在前）（N = ceil(读取数量/8)）

功能码 0x03 — 读保持寄存器

请求示例

• 请求：01 03 00 6B 00 03 76 87

  (从站 0x01，起始地址 0x006B，读 3 个寄存器)

响应示例

• 响应：01 03 06 02 2B 00 00 00 64 85 DB

  (返回 3 个寄存器：0x022B, 0x0000, 0x0064)

请求报文

响应报文

功能码 0x04 — 读输入寄存器

请求报文

响应报文

功能码 0x05 — 写单个线圈

请求示例

• 请求：01 05 00 AC FF 00 4E 8B

  (写线圈 0x00AC 为 ON)

响应示例

• 响应：01 05 00 AC FF 00 4E 8B

  (回显请求报文)

请求报文

响应报文（回显请求）

功能码 0x06 — 写单个寄存器

请求报文

响应报文（回显请求）

功能码 0x0F — 写多个线圈

请求：01 0F 00 13 00 0A 02 CD 01 [CRC]
解析：起始地址=0x0013，数量=10，字节数=2，状态字节=CD 01 = 0b1100 1101 0000 0001（低位在前）

请求报文

响应报文

功能码 0x10 — 写多个寄存器

请求示例

• 请求：01 10 00 01 00 02 04 00 0A 01 02 C6 F0

  (写寄存器 0x0001 和 0x0002，值分别为 0x000A 和 0x0102)

响应示例

• 响应：01 10 00 01 00 02 71 CB

  (确认写入 2 个寄存器)

请求报文

响应报文

Modbus RTU 与 Modbus TCP 对比

两者在 功能码与数据模型 上完全一致，区别主要在 传输层与报文封装。

以读保持寄存器请求为例对比介绍

modbusTCP消息结构如下：

转换成 modbusRTU 的消息：

modbusTCP 的消息结构中：

• 事务ID：用于请求/响应匹配（类似 TCP 的序列号），服务器响应时需原样返回。一般是设备自动生成。
• PDU：和 modbusRTU 的功能码和数据部分一样。示例 PDU 是 功能码 0x03（读保持寄存器），起始地址 0x006B，寄存器数量 0x0003。