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一文详解Modbus协议原理、技术细节及软件辅助调试

news 2025/7/1 10:48:18

【摘要】本文详细叙述了Modbus协议原理及技术细节，对初次接触该协议的同学有较好的参考借鉴意义。

【参考】「知识分享」Modbus通信协议详解，「知识分享」知识链路-Modbus通信知识链路

【正文】

概述

Modbus 协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其它设备之间进行通信。 Modbus 协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为 Modbus Master，从设备方使用的协议称为 Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如 PLC 可编程控制器等。有了它，不同厂商生产的控制设备就可以连接成工业网络，进行集中监控。 Modbus 协议定义了一个控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的;而且描述了控制器请求访问其他设备的过程，如何应答来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，并制定了统一的消息域的结构和内容。 当在 Modbus 网络上通信时， Modbus 协议决定了每个控制器必须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息决定要产生何种行为。如果需要回应，则控制器将生成反馈信息并通过 Modbus 协议发送。

Modbus是一种“一主一从”的点对点通信方式（主机发一帧，从机回一帧的形式），当然在连接上也可以一主多从（宏观看），但实际也是一对一通信，同一时刻只能有一个从机进行响应。

如果需要和多个从机同时通信，这里也支持使用广播，即主机发送指令，所有从机接收指令并执行，但不进行应答。当进行一主多从通信时，主机通过从机ID号来区分要通信的从机设备。从机ID范围为1 - 247，0为广播地址，248~255为用户自定义地址。

Modbus 通讯物理接口可以选用串口（包括 RS232、 RS485 和 RS422 等），也可以选择以太网口。其通信遵循以下的过程：
① 主设备向从设备发送请求
② 从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果
③ 如果出现任何差错，从设备将返回一个异常功能码

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus 协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

Modbus 的工作方式是请求/应答，每次通讯都是主站先发送指令，可以是广播，或是向特定从站的单播；从站响应指令，并按要求应答，或者报告异常。当主站不发送请求时，从站不会自己发出数据，从站和从站之间不能直接通讯。

MODBUS 是一种应用层消息传递协议，位于 OSI 模型的第 7 层。它提供连接在不同类型总线或网络上的设备之间的客户端/服务器通信。Modbus 通信栈如下：

image-20250630203453738

  • Modbus常用术语

    名词意义
    Master主(站) 设备
    Slave从 (站) 设备
    Client客户端
    Server服务器端
    ADU应用数据单元(Application Data Unit)
    PDU协议数据单元 (Protocol Data Unit)
    MSB最高有效位(Most Significant Bit)
    LSB最低有效位 (Least Significant Bit)
    MBAPModbus 应用协议(Modbus Application Protocol)
    PLC可 编 程 逻 辑 控 制 器 (Programmable Logic Controller)

通信链路

MODBUS 协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信，每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用 MODBUS协议来启动远程操作。在基于串行链路和以太 TCP/IP 网络的 MODBUS 上可以进行相同通信。一些网关允许在几种使用 MODBUS 协议的总线或网络之间进行通信。

  • 整体知识链路一览

  • 软件数据链路

首先从软件层面来看，如果现在有一对设备需要进行Modbus通信，那么至少需要有一个主机，一个从机，所以在应用层面上，会使用到Modbus主机和Modbus从机协议栈。

如果使用的是Modbus RTU/ASCII的通信形式，可能会使用到串口。如果使用的是Modbus TCP，则可能会使用到TCP/IP协议栈。

  • 硬件链路

从硬件层面上来看，无论是Modbus，还是串口，都是以MCU为载体的。所以对于硬件来讲，作为Modbus主机或从机并没有什么区别。

图

然而MCU跟MCU之间的通信，还需要借助一些外围电路来实现，以匹配不同的应用环境。最简单的是TTL，两个MCU直连。如果需要长距离传输，则需要使用232、485、422这种。如果使用TCP，则需要有以太网相关电路。

  • 软件工具
    • 代码编辑器：既然涉及到软件，那免不了需要有一些编写软件的工具，如Source Insight、VS Code
    • 代码编译工具：配套的编译工具链也不可少，初期可以先从一些IDE集成工具入手，常用的有Keil、IAR、STM32Cube IDE。
    • 调试工具：应用时则需要一些调试测试用的软件调试工具，对于Modbus协议的测试，可以使用Modbus Poll和Modbus Slave这一对，另外也有Modscan、Modsim这样类似的工具。对于串口调试，可以使用串口调试助手，这种网上一搜都有很多，个人推荐sscom5.13.1，简洁好用。如果是调试以太网，则可以使用网络抓包工具wireshark。
  • 硬件工具：对于这种时序类型的，少不了示波器。另外针对特定的电路，就需要使用对应的转换工具，比如TTL电路，要使用电脑进行调试，就需要使用USB转TTL的工具，232、485、422这些都同理。对于一些复杂的时序，用示波器可能还不好分析，这时候就可以借助逻辑分析仪进行辅助分析。

通信形式

目前总共有4种通信形式，RTU、ASCII、TCP、Plus，下面分别予以讲解：

RTU

作为Modbus的一种通信形式，RTU是一种远程终端控制系统，一般是基于串口进行通信。其报文格式是十六进制的，由 Slave ID + 数据 + CRC校验 三部分组成。数据部分详见上面报文解析。剩下的就是数据校验了，这里用的是CRC校验（循环冗余校验，Cyclic Redundancy Check，简称CRC）。要注意的是，数据部分高位在前、低位在后，而CRC校验则是低位在前，高位在后。

名称从机ID数据CRC校验（低位）CRC校验（高位）
长度1字节多字节1字节1字节

CRC校验

//CRC校验的C语言实现，摘自FreeModbus
static const uint8_t aucCRCHi[256] = {
0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40};static const uint8_t aucCRCLo[256] = {
0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7, 0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E, 0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09, 0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9, 0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC, 0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3, 0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32, 0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D, 0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A, 0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38, 0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF, 0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26, 0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1, 0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4, 0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F, 0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB, 0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA, 0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5, 0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0, 0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97, 0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C, 0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E, 0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89, 0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C, 0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83, 0x41, 0x81, 0x80, 0x40};uint16_t usMBCRC16( uint8_t * pucFrame, uint16_t usLen )
{int iIndex;uint8_t ucCRCHi = 0xFF;uint8_t ucCRCLo = 0xFF;while( usLen-- ){iIndex = ucCRCLo ^ *( pucFrame++ );ucCRCLo = (uint8_t)( ucCRCHi ^ aucCRCHi[iIndex] );ucCRCHi = aucCRCLo[iIndex];}return (uint16_t)( ucCRCHi << 8 | ucCRCLo );
}

帧的完整性判断

国标GBT 19582-2规定：一帧中两个字符之间间隔时间不超过1.5字符，以大于3.5字符间隔时间作为一帧的结束，波特率高于19200时，间隔时间固定为1.75ms。

比如，假设串口设置的波特率为9600，1个停止位，无校验位，8个数据位（这种设置以下会简写成9600-1N8的形式），那么此设置下，断帧时间应该为：
断帧时间 = 1 s ∗ ( 1 + 串口数据位数 + 停止位数 ) ∗ 3.5 / 波特率 断帧时间 = 1s * (1+串口数据位数+停止位数)*3.5/波特率 断帧时间=1s∗(1+串口数据位数+停止位数)∗3.5/波特率
即：35/9600 = 3.64ms。

注意：国标规定，串口默认应该配置有偶校验。

技巧：在9600-1N8的串口设置下，可以快速估算数据发送时间，即1个字节发送时间约为1ms。即 (9600/1000)*(1+8+1)=0.96ms

ASCII

ASCII是一种字符型的通信方式，一般也是基于串口进行通信。其报文格式是以ASCII码编码的，由 帧头（：）+Slave ID+数据+LRC校验+帧尾（/r/n）五部分组成，其中Slave ID、数据部分跟RTU完全一样，只不过是以ASCII编码形式，如Slave ID，RTU是 0x01 一个字节的时候，ASCII表示就是30 31两个字节。所以实际工业应用场合很少会用到Modbus/ASCII，因为通信效率太低。

LRC校验——纵向冗余校验，Longitudinal Redundancy Check，简称：LRC。

LRC具体算法如下：

  1. 对需要校验的数据（2n个字符）两两组成一个16进制的数值求和。
  2. 将求和结果与256求模。
  3. 用256减去所得模值得到校验结果（另一种方法：将模值按位取反然后加1）
static UCHARprvucMBLRC( uint8_t * pucFrame, uint16_t usLen )
{uint8_t ucLRC = 0; 	/* LRC char initialized */while( usLen-- ){ucLRC += *pucFrame++;} ucLRC = (uint8_t) ( -( (int8_t) ucLRC ) );return ucLRC;
}

因为整个报文都是ASCII的编码形式，所以如果使用单片机串口通信，可以把串口的数据位设置为7位（ASCII的码表范围就是0~0x7F，只用低7位）。

TCP/IP

TCP是一种网络协议，而Modbus/TCP就是基于网络协议上的一种应用层协议。其报文格式是十六进制的，由报头（2字节的帧序号+2字节的协议类型+2字节的数据长度+1字节的Slave ID）+数据 两部分组成。由于该通信方式是基于TCP/IP这种可靠协议上，所以通信不需要有额外的校验机制。

Plus

Modbus Plus（又称MB+）是一种高速现场总线网络，也是一种典型的令牌总线网。

协议描述

Modbus 是一个请求、 应答协议，并且提供统一的功能码用于数据传输服务。 Modbus 功能码是 Modbus 请求/应答 PDU (Protocol Data Unit，协议数据单元)的元素之一，所谓的PDU 其实就是 Modbus 协议定义的一个与基础通信层无关的简单协议数据单元。特定总线或网络上的 Modbus 协议映射能够在 ADU (Application Data UInit ，应用数据单元)上引入
一些附加域，从而实现完整而准确的数据传输。

为了寻求一种简洁的通信格式， Modbus 协议定义了 PDU 模型，即功能码+数据的格式，而为了适应多种传输模式，又在 PDU 的基础上增加了必要的前缀 (如地址域)和后缀(如差错校验) ，形成了 ADU 模型。通用 MODBUS 帧如下：

通用 MODBUS 帧

MODBUS 协议建立了客户机启动的请求格式。客户机创建 MODBUS 应用数据单元(ADU)，其中包含的PDU中的功能码向服务器指示具体执行哪种操作。PDU中的数据域包括执行功能码操作需要的附加信息，例如，地址、数量以及域中的实际数据字节数等。在一些特定请求中，功能码指示的操作不需要附加信息，此时数据域可以是不存在的。

如果传输无误，且服务器能够正确响应，那么响应PDU中将使用与客户机相同的功能码加包含了请求数据的数据域。如果出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么将原功能码的MSB将置1，且数据域包括一个异常码，客户机应用能够使用这个域确定下一个执行的操作。

用一个字节编码 MODBUS 数据单元的功能码域。有效的码字范围是十进制 1-255（128-255 为异常响应保留）。Modbus功能码表如下：

https://pics2.baidu.com/feed/9213b07eca80653874c9da1190643f4bac3482dd.jpeg@f_auto?token=dc677a0057d8258bac84364b21aa13da

  • 上述 MODBUS 功能码可分为三类：

    • 公共功能码：有3个范围，即[ 1, 64 ] + [ 73, 99 ] + [ 111, 127 ]，是较好地被定义的功能码，被公众认可和唯一的。

      image-20250630153338486

      • 其中常用的功能码有8个（01、02、03、04、05、06、15、16），可以分为位操作和字操作两类，其中，位操作的是线圈和离散输入，两者区别在于，线圈是可读可写的，而离散输入是只读。字操作的是保持寄存器和输入寄存器，两者区别在于，保持寄存器是可读可写的，而输入寄存器是只读的。

    • 用户定义功能码：有2个定义范围，即[] 65, 72 ] 和[100, 110] ,用户可自己任意指定选用，但不能保证被选功能码的使用是唯一和通用的

    • 保留功能码：其它一些公司对传统产品通常使用的功能码，并且对公共使用是无效的功能码

  • Modbus异常码

    image-20250630202711781

报文解析

报文长度

  • 对串行链路通信来说，最大PDU长度 = 256 - 服务器地址（1 字节）- CRC（2 字节）＝253字节。
  • 对TCP链路通信来说，最大PDU长度 = 256 - MBAP (7 字节) ＝249 字节。

PDU类型

  • MODBUS 协议定义了三种 PDU：
    • 请求 PDU：mb_req_pdu——功能码（1 个字节） + 请求数据（通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移量、子功能码等信息）
    • 响应 PDU：mb_rsp_pdu——功能码（1 个字节） + 请求数据（与功能码有关，通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移量、子功能码等信息）
    • 异常响应 PDU：mb_excep_rsp_pdu——功能码（1 个字节，最高位置1）+ 异常码1 个字节）
  • 注意：MODBUS 采用大端字节序来传输寄存器地址和数据项

数据模型

image-20250630150619867

一个设备里，可能有多个“线圈状态”、多个“ 离散输入状态”、多个“保存寄存
器”、多个“输入寄存器” 。

image-20250630151112727
  • 上图示出了某设备结构，该设备含有数字量和模拟量、输入量和输出量。由于不同块中的数据不相关，每个块是相互独立。按不同MODBUS 功能码访问每个块。

image-20250630151245419

  • 在这个实例中，设备仅有 1 个数据块。通过不同 MODBUS 功能码可能得到一个相同数据，或者通过 16 比特访问或 1 个访问比特。

怎么分辨某类寄存器中的某一个？通过“寄存器地址” ，如下表所示：

寄存器种类PLC 寄存器地址范围Modbus 寄存器地址范围简称读写状态
线圈状态00001~099990000H~FFFFH0x可读可写
离散输入状态10001~199990000H~FFFFH1x只读
保持寄存器40001~499990000H~FFFFH4x可读可写
输入寄存器30001~399990000H~FFFFH3x只读

简单记忆方法：
① 偶数类的寄存器”是可读可写的，比如“0x”和“4x”；
② “奇数类的寄存器”是只读的，比如“1x”和“3x” ；
③ “0x”和“1x”是 bit 寄存器；
④ “3x”和“4x”是 16bit 寄存器。

服务器侧 MODBUS 事务处理流程

image-20250630151744105

线圈

读线圈(功能码0x01）

image-20250630153813140

  • 通常，将一个字节内的比特表示为 MSB 位于左侧，LSB 位于右侧。第一字节的输出从左至右27 至 20。下一个字节的输出从左到右为 35 至 28。当串行发射比特时，从 LSB 向 MSB 传输：20 . . .27、28 . . . 35 等等。在最后的数据字节中，将输出状态 38-36 表示为十六进制字节值 05，或二进制 0000 0101。输出 38 是左侧第六个比特位置，输出 36 是这个字节的 LSB。用零填充五个剩余高位比特。

  • 客户端发送帧（请求PDU）格式：

    序号01234567
    字段定义ADDRCMDMSBLSBMSBLSBLSBMSB
    解释从节点地址命令类型线圈起始地址高位线圈起始地址低位线圈个数高位线圈个数低位CRC校验低位CRC校验高位
    数值XXH00H13H00H13HXXHXXH

  • 服务器应答帧（响应PDU）格式

    • 正常应答帧格式：原功能码+线圈状态（1bit对应1个线圈状态）

    • 异常应答帧格式：将原功能码的最高位bit7置1后，跟异常码（1~4）

  • 读取线圈状态图

    image-20250630154844546

写单个线圈(功能码0x05）

image-20250630160020159

写多个线圈(功能码0X0F）

image-20250630160230324

image-20250630160401358

  • 上图是一个请求从线圈 20 开始写入 10 个线圈的实例：

    请求的数据内容为两个字节：十六进制 0xCD01 (二进制 1100 1101 0000 0001)。使用下列方法，二进制比特对应输出。

    输入的比特：1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1

    对应线圈号：27,26,25,24 23,22,21,20 X,X,X,X X,X,29,28

    传输的第一字节(十六进制 CD)寻址为输出 27-20，在这种设置中，最低有效比特寻址为最低输出（20）。

    传输的下一字节(十六进制 01)寻址为输出 29-28，在这种设置中，最低有效比特寻址为最低输出（28）。

    应该用零填充最后数据字节中的未使用比特。

读离散输入–只读(功能码02）

image-20250630154532567

  • 读离散量输入的状态图

    image-20250630154946187

保持寄存器

读保持寄存器(功能码03）

image-20250630155458109

写单个保持寄存器(功能码0x06）

image-20250630160139248

写多个保持寄存器(功能码0x10）

image-20250630161829361

输入寄存器–只读(功能码04）

image-20250630155859612

文件记录

读文件记录(功能码0x14）

image-20250630162216784

  • 这是一个请求从远程设备读取两个参考组的实例：

    • 组1 包括文件 4 中的 2 个寄存器，以寄存器 1 开始（地址 0001）。
    • 组2 包括文件 3 中的 2 个寄存器，以寄存器 9 开始（地址 0009）。

    image-20250630162313983

写文件记录(功能码0x15）

image-20250630162433076

  • 这是一个请求将一个参考组写入远程设备的实例：组包括文件4 中的3 个寄存器，以寄存器7 开始（地址0007）。

    image-20250630162513023

Modbus的PLC应用

这是一种基于标准Modbus上的PLC应用协议，目前貌似没有一个绝对的标准，不同的PLC厂家有自己的定义，但实际通信链路层走的协议还是按标准的Modbus协议来的。

比如某PLC厂家规定，读取保持寄存器的地址是40001~49999，当PLC读取40001地址时，实际链路层读的是0000地址（就是在标准的基准地址前加上一个分段标识符，并且地址偏移1）。

常用Modbus 软件与使用

为了更好的学习和理解 Modbus，这里推出几个软件 ：

  • Modbus Poll，可模拟主机，跟从机进行通信。

  • Modbus Slave，可模拟从机，响应主机的通信。

  • Modbus Scan，更偏向于PLC的操作界面，个人觉得没有Modbus Poll灵活。

  • 串口调试助手，可以完全从指令层面上进行深入了解，而且也没有上述工具一些问题（因为一般集成的功能越多，问题可能越多），但有个缺点就是如果作为从机应答，没办法做到及时响应主机的指令。

Modbus Poll（主站设备）

Modbus Poll 是 Modbus 主站设备仿真器，用于测试和调试 Modbus 从设备便于观察Modbus 通信过程中的各种报文数据。该软件支持 ModbusRTU、 ASCII、 TCP/IP。用来帮助开发人员测试Modbus从设备，或者其它Modbus协议的测试和仿真。它支持多文档接口，即，可以同时监视多个从设备/数据域。每个窗口简单地设定从设备 ID，功能，地址，大小和轮询间隔。你可以从任意一个窗口读写寄存器和线圈。如果你想改变一个单独的寄存器，简单地双击这个值即可。或者你可以改变多个寄存器/线圈值。提供数据的多种格式方式，比如浮点、双精度、长整型（可以字节序列交换）。该软件支持 Modbus RTU、 ASCII、TCP/IP 、UDP/IP等协议模式。

软件下载地址：https://pan.baidu.com/s/1SpTRz6Z1XlkoCZjDozwqog 提取码： timc

  • 软件界面如下：

    image-20250630205056286

    • 状态栏：

      • ① Tx = 0 表示向主站发送数据帧次数，图中为 0 次；
      • ② Err = 0 表示通讯错误次数，图中为 0 次；
      • ③ ID = 1 表示模拟的 Modbus 子设备的设备地址，图中地址为 1；
      • ④ F = 03 表示所使用的 Modbus 功能码，图中为 03 功能码；
      • ⑤ SR = 1000ms 表示发送周期， 1S 一次。
      • ⑥ 红字部分，表示当前的错误状态， “No Connection”表示未连接状态。

    • 建立连接：

      • 点击 Connection->Connect 进入配置页面，选择我们想要的连接，选择我们虚拟出来的串口，选择模式，例如:我们选择串口的连接方式，选则 RTU 模式，对应我们的 ModbusRTU 协议；接下来再设置波特率、比特位、校验位、停止位，如下图所示：

        image-20250630205431640

      • 设置参数：点击 Setup->Read/Write Definition 进入配置页面，配置从机地址、功能
        码、地址类型、寄存器地址、访问数量、轮询时间，具体配置如下图

        image-20250630205509515

Modbus Slave（从站设备）

Modbus 从设备仿真器，可以仿真 32 个从设备/地址域。每个接口都提供了对 EXCEL 报表的 OLE 自动化支持。主要用来模拟 Modbus 从站设备,接收主站的命令包,回送数据包。帮助 Modbus 通讯设备开发人员进行 Modbus 通讯协议的模拟和测试，用于模拟、测试、调试Modbus 通讯设备，便于观察 Modbus 通信过程中的各种报文数据；可以 32 个窗口中模拟多达 32 个 Modbus 子设备。与 Modbus Poll 的用户界面相同，支持功能 01, 02, 03, 04, 05,06, 15, 16, 22 和 23，监视串口数据。

获取软件链接同上，下载完后主页面如图所示：

image-20250630205631561

  • 建立连接 （同上）

  • 设置参数 （点击 Setup->Read/Write Definition 进入配置页面，配置从机地址、功能
    码、地址类型、寄存器地址、访问数量，具体配置如下图 ）

    image-20250630205803939

  • 注意： 软件中的Address 表示 Modbus 寄存器地址，其取值范围与设备寄存器地址存在映射关系，如下表所示

    Device addressModbus addressDescriptionFunctionR/W
    1…10000Device address - 1Coils(outputs)01Read/Write
    10001…20000Device address - 10001Discrete Inputs02Read
    40001…50000Device address - 40001Holding Registers03Read/Write
    30001…40000Device address - 30001Input Registers04Read

虚拟串口助手

虚拟串口工具，可以创建 2 个互联的串口（例如将COM1与COM2互联）， 此时，我们可以通过 Modbus Poll 工具使用 COM1 发送数据给 COM2， Modbus Slave 从 COM2 读到数据。使用虚拟串口，就可以不使用开发板也可以体验 Modbus Poll、 Modbus Slave。

安装后运行虚拟串口程序“Virtual Serial Port Tools”，安装下图创建 2 个串口：

image-20250630210701455

打开设备管理器，应该可以看到刚才创建的2个串口。

Modbus Poll 与 Modbus Slave 互通实验

根据前面的设定我们已将知道了如何运用 Modbus 学习必备三件套，下面我们就通过三件套来进行实验，首先打开 VSPD 虚拟串口软件，设置虚拟串口，我这里就以上面设订 COM1,COM2 为例，接下来我们再来配置我们的 Modbus Poll 与 Modbus Slave；

首先，打开 Modbus Slave 端，设置连接，连接方式我们选择 Serial Port 串口连接，选择我们设置的串口 COM1,模式选择 RTU 模式；再设置参数，从机地址设定为 1（也可随意设定）， Function 项选择03 Holding register(4x)，地址类型选择 DEC（十进制格式）， Address 首地址设置为 0，访问寄存器数量设置为 10 。

image-20250630211147568

然后，打开 Modbus Poll 端，设置方法也是和 Modbus Slave 端一一对应的，连接设定，参数设定，如下图所示：

image-20250630211300997

设置好后， 主设备和从设备分别连接了我们已经安装好的互联的 COM1， COM2，这样我们便可观察当前寄存器的读取情况。

双击 Modbus Poll（主设备端）地址中的 0 值，便可打开值设置窗口：

image-20250630211509602

修改值为 66，点击 Send 打开 Modbus Slave（从设备端）便可发现也做出了改变

image-20250630211605933

我们还可以在 Modbus Poll中，点击 Display，选择 Commuaction，查看发送的报文：TX 是我们主站发送的报文， RX 是从站返回的报文。

image-20250630211716179

C语言源码推荐

  • Free Modbus，Github上链接https://github.com/armink/FreeModbus_Slave-Master-RTT-STM32。原本只有从机是开源的，主机收费，但这个作者自己写了主机部分，实现了带操作系统和裸机的接口。其设计架构也是根据操作的寄存器类型和通信方式进行区分。如从机的保持寄存器的实现，封装在HoldingReg_S文件中，RTU的通信形式，则在mb_rtu中。架构清晰明了，使用起来也很简单，只需要实现mbport.h里的几个接口就行。
    • 事件类：xMBPortEventInit、xMBPortEventPost、xMBPortEventGet。
    • 串口类：xMBPortSerialInit、vMBPortClose、xMBPortSerialClose、vMBPortSerialEnable、xMBPortSerialGetByte、xMBPortSerialPutByte。
    • 定时类：xMBPortTimersInit、xMBPortTimersClose、vMBPortTimersEnable、vMBPortTimersDisable。
    • 状态回调：pxMBFrameCBByteReceived、pxMBFrameCBTransmitterEmpty、pxMBPortCBTimerExpired。
http://www.dtcms.com/a/263210.html

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