Modbus

目录

概述

帧结构

1. 线圈（Coil）

核心本质：

2. 离散输入（Discrete Input）

核心本质：

3. 保持寄存器（Holding Register）

核心本质：

4. 输入寄存器（Input Register）

核心本质：

1. 为什么需要区分这四种区域？

2. 如何在实际项目中选择？

数据结构

一、位操作（线圈、离散输入，1 位数据）

1. 读线圈状态（功能码 0x01）

2. 读离散输入（功能码 0x02）

3. 写单个线圈（功能码 0x05）

4. 写多个线圈（功能码 0x0F）

二、字操作（保持寄存器、输入寄存器，16 位数据）

1. 读保持寄存器（功能码 0x03）

2. 读输入寄存器（功能码 0x04）

3. 写单个保持寄存器（功能码 0x06）

4. 写多个保持寄存器（功能码 0x10）

三、异常响应（通用规则）

C/C++实现

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概述

Modbus是一种串行通信协议，顾名思义，它是一个Bus，即总线协议，是一种广泛应用于工业控制领域的通信协议。它支持多种传输方式：

• Modbus RTU (二进制格式，常用于串口通信)

• Modbus ASCII (ASCII字符格式)

• Modbus TCP (基于以太网的实现)

以上三种协议，一个设备只会有一种协议，如果你的设备使用的是Modbus-RTU，只需查看以下对应部分，一般来说大部分的设备都是Modbus-RTU协议的。

Modbus采用的是主从架构：

• 主站(Master)：发起通信请求的设备（通常是PC、HMI或主控制器）

• 从站(Slave)：响应请求的设备（PLC、传感器、执行器等）

• 一个网络上可以有1个主站和最多247个从站（Modbus RTU/ASCII）

Modbus 通信方式由主站发起，从站不会主动发送数据，采取一问一答，主站发送请求，从站返回响应，且无连接，每次通信都是独立的，没有持久连接概念。

帧结构

在Modbus RTU中，一个典型的应用就是RS-485串行网络，其帧结构为：

数据以二进制形式发送，每个字节包含 8 位信息，使用循环冗余校验（CRC-16）确保数据完整性。

Modbus 协议通过 “数据区域” 管理设备的数字量（开关）和模拟量（数值），线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器 是四大核心数据区域。

 Modbus 的 “功能码” 本质就是 “操作这些区域的指令”。

1. 线圈（Coil）

核心本质：

模拟 物理继电器的触点状态（只有 开（1/ON） 或 关（0/OFF） 两种状态），属于 数字量输出区域。通常控制外部设备的开关状态（如继电器吸合 / 断开、指示灯亮灭），支持 读（功能码 01） 和 写（功能码 05、0F）。

可以把线圈想象成 “可远程控制的继电器”：

• 主站用 写线圈（05/0F） 发送 “闭合 / 断开” 指令；
• 主站用 读线圈（01） 查询继电器当前是否闭合。

2. 离散输入（Discrete Input）

核心本质：

模拟 物理开关或传感器的输入状态，属于 数字量输入区域。仅支持读（功能码 02）（因为状态由外部硬件决定，主站无法修改）。通常用于读取外部设备的状态（如按钮是否按下、光电开关是否检测到物体）。

可以把离散输入想象成 “传感器的状态反馈”：

• 主站只能用 读离散输入（02） 查询 “按钮是否按下”，但无法通过 Modbus 主动改变按钮状态（因为按钮是物理输入）。

3. 保持寄存器（Holding Register）

核心本质：

存储 16 位整数（或组合成 32 位、浮点数），属于 可读写的模拟量 / 参数区域。支持 读（功能码 03） 和 写（功能码 06、10）。通常用于存储设备的 设定参数（如 PID 控制器的目标值、变频器的频率设定）以及存储设备的 模拟量输出（如电压、电流的设定值）。

可以把保持寄存器想象成 “设备的配置文件”：

• 主站用 写寄存器（06/10） 修改设备参数（如把变频器频率设为 50Hz）；
• 主站用 读寄存器（03） 查询当前设定值（如确认频率是否成功设为 50Hz）。

4. 输入寄存器（Input Register）

核心本质：

存储 16 位整数，属于 只读的模拟量输入区域。仅支持读（功能码 04）（因为数据由设备内部采集，主站无法修改）。通常用于读取设备的 实时测量值（如温度传感器的读数、电流互感器的采样值）。

可以把输入寄存器想象成 “设备的仪表盘”：

• 主站只能用 读输入寄存器（04） 查询 “当前温度是多少”，但无法通过 Modbus 直接修改传感器的测量值（因为值由传感器硬件决定）。

总结：

1. 为什么需要区分这四种区域？

• 隔离安全：将控制命令（线圈）与监控数据（输入寄存器）分离，避免误操作。
• 优化性能：位操作（线圈 / 离散输入）按位存储，节省带宽；字操作（寄存器）按字节存储，适合数值处理。
• 功能分工：只读区域（离散输入 / 输入寄存器）用于实时反馈，可写区域（线圈 / 保持寄存器）用于配置控制。

2. 如何在实际项目中选择？

• 控制输出（如继电器、电磁阀）→ 线圈（功能码 05/0F）。
• 状态输入（如按钮、传感器）→ 离散输入（功能码 02）。
• 参数配置（如温度设定、PID 参数）→ 保持寄存器（功能码 06/10）。
• 数据采集（如温度测量、电流值）→ 输入寄存器（功能码 04）。

数据结构

一、位操作（线圈、离散输入，1 位数据）

1. 读线圈状态（功能码 0x01）

作用：读取从机的 线圈（0x 区，可读写的开关量） 状态（1=ON，0=OFF）。

主机请求帧结构：

字段	字节数	含义	示例（读从机 1 的 0x0013 开始的 27 个线圈）
从机地址	1	目标从机地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x01	01
起始地址高字节	1	线圈起始地址的高 8 位（大端序）	00（对应地址 0x0013 的高字节）
起始地址低字节	1	线圈起始地址的低 8 位（大端序）	13（对应地址 0x0013 的低字节）
数量高字节	1	读取线圈数量的高 8 位（大端序）	00（27 个线圈的高字节 0x001B）
数量低字节	1	读取线圈数量的低 8 位（大端序）	1B（27 个线圈的低字节 0x001B）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	8D（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	C4（计算结果）
示例请求帧：01 01 00 13 00 1B 8D C4

从机响应帧结构：

字段	字节数	含义	示例（返回 27 个线圈状态：0xCD 0x6B 0xB2 0x05）
从机地址	1	自身地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x01（与请求一致）	01
数据长度	1	线圈状态的字节数（ceil(数量/8)）	04（27 个线圈 → 4 字节：27÷8=3.375，向上取整为 4）
线圈状态字节	n	每 8 位代表 8 个线圈（低位对应低地址）	CD 6B B2 05（27 个线圈的二进制状态打包）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	xx（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	xx（计算结果）
示例响应帧：01 01 04 CD 6B B2 05 xx xx

2. 读离散输入（功能码 0x02）

作用：读取从机的 离散输入（1x 区，只读的开关量，如传感器输入） 状态。

帧结构：

• 主机请求：与 “读线圈” 完全一致（仅功能码改为 0x02）。
• 从机响应：与 “读线圈” 完全一致（数据域为离散输入的状态）。

3. 写单个线圈（功能码 0x05）

作用：将从机的 单个线圈 置为 ON（0xFF00）或 OFF（0x0000）。

主机请求帧（从机响应与请求完全一致，回显确认）：

字段	字节数	含义	示例（将从机 1 的 0x001A 线圈置为 ON）
从机地址	1	目标从机地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x05	05
线圈地址高字节	1	线圈地址的高 8 位（大端序）	00（对应地址 0x001A 的高字节）
线圈地址低字节	1	线圈地址的低 8 位（大端序）	1A（对应地址 0x001A 的低字节）
写入值高字节	1	0xFF（ON）或 0x00（OFF）	FF（ON）
写入值低字节	1	0x00（固定，与高字节配合）	00
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	AD（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	FD（计算结果）
示例请求 / 响应帧：01 05 00 1A FF 00 AD FD

4. 写多个线圈（功能码 0x0F）

作用：批量设置从机的 多个线圈 状态。

主机请求帧结构：

字段	字节数	含义	示例（将从机 1 的 0x0000~0x0003 线圈置为 ON、OFF、ON、OFF）
从机地址	1	目标从机地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x0F	0F
起始地址高字节	1	线圈起始地址的高 8 位（大端序）	00（对应地址 0x0000 的高字节）
起始地址低字节	1	线圈起始地址的低 8 位（大端序）	00（对应地址 0x0000 的低字节）
数量高字节	1	线圈数量的高 8 位（大端序）	00（4 个线圈的高字节 0x0004）
数量低字节	1	线圈数量的低 8 位（大端序）	04（4 个线圈的低字节 0x0004）
数据长度	1	线圈状态的字节数（ceil(数量/8)）	01（4 个线圈 → 1 字节：4÷8=0.5，向上取整为 1）
线圈状态字节	n	每 8 位代表 8 个线圈（低位对应低地址）	55（二进制 01010101，对应 4 个线圈：ON、OFF、ON、OFF）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	xx（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	xx（计算结果）
示例请求帧：01 0F 00 00 00 04 01 55 xx xx

从机响应帧结构：

字段	字节数	含义	示例（确认写入 4 个线圈）
从机地址	1	自身地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x0F（与请求一致）	0F
起始地址高字节	1	线圈起始地址的高 8 位（大端序）	00
起始地址低字节	1	线圈起始地址的低 8 位（大端序）	00
数量高字节	1	线圈数量的高 8 位（大端序）	00
数量低字节	1	线圈数量的低 8 位（大端序）	04
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	xx
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	xx
示例响应帧：01 0F 00 00 00 04 xx xx

二、字操作（保持寄存器、输入寄存器，16 位数据）

1. 读保持寄存器（功能码 0x03）

作用：读取从机的 保持寄存器（4x 区，可读写的模拟量 / 参数） 值（16 位整数，可组合为 32 位、浮点数）。

主机请求帧结构：

字段	字节数	含义	示例（读从机 1 的 0x006B 开始的 2 个寄存器）
从机地址	1	目标从机地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x03	03
起始地址高字节	1	寄存器起始地址的高 8 位（大端序）	00（对应地址 0x006B 的高字节）
起始地址低字节	1	寄存器起始地址的低 8 位（大端序）	6B（对应地址 0x006B 的低字节）
数量高字节	1	读取寄存器数量的高 8 位（大端序）	00（2 个寄存器的高字节 0x0002）
数量低字节	1	读取寄存器数量的低 8 位（大端序）	02（2 个寄存器的低字节 0x0002）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	B5（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	D7（计算结果）
示例请求帧：01 03 00 6B 00 02 B5 D7

从机响应帧结构：

字段	字节数	含义	示例（返回 2 个寄存器值：0x00C8、0x012C）
从机地址	1	自身地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x03（与请求一致）	03
数据长度	1	寄存器值的总字节数（数量×2）	04（2 个寄存器 → 2×2=4 字节）
寄存器值高字节	1	第一个寄存器的高 8 位（大端序）	00（0x00C8 的高字节）
寄存器值低字节	1	第一个寄存器的低 8 位（大端序）	C8（0x00C8 的低字节）
寄存器值高字节	1	第二个寄存器的高 8 位（大端序）	01（0x012C 的高字节）
寄存器值低字节	1	第二个寄存器的低 8 位（大端序）	2C（0x012C 的低字节）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	7B（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	80（计算结果）
示例响应帧：01 03 04 00 C8 01 2C 7B 80

2. 读输入寄存器（功能码 0x04）

作用：读取从机的 输入寄存器（3x 区，只读的模拟量输入，如传感器数据） 值。

帧结构：

• 主机请求：与 “读保持寄存器” 完全一致（仅功能码改为 0x04）。
• 从机响应：与 “读保持寄存器” 完全一致（数据域为输入寄存器的值）。

3. 写单个保持寄存器（功能码 0x06）

作用：向从机的 单个保持寄存器 写入 16 位数据（如参数设定值）。

主机请求帧（从机响应与请求完全一致，回显确认）：

字段	字节数	含义	示例（将从机 1 的 0x0010 寄存器设为 0x0300）
从机地址	1	目标从机地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x06	06
寄存器地址高字节	1	寄存器地址的高 8 位（大端序）	00（对应地址 0x0010 的高字节）
寄存器地址低字节	1	寄存器地址的低 8 位（大端序）	10（对应地址 0x0010 的低字节）
写入值高字节	1	写入值的高 8 位（大端序）	03（0x0300 的高字节）
写入值低字节	1	写入值的低 8 位（大端序）	00（0x0300 的低字节）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	88（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	FF（计算结果）
示例请求 / 响应帧：01 06 00 10 03 00 88 FF

4. 写多个保持寄存器（功能码 0x10）

作用：批量向从机的 多个保持寄存器 写入 16 位数据（如批量参数配置）。

主机请求帧结构：

字段	字节数	含义	示例（将从机 1 的 0x0000~0x0001 寄存器设为 0x0001、0x0001）
从机地址	1	目标从机地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x10	10
起始地址高字节	1	寄存器起始地址的高 8 位（大端序）	00（对应地址 0x0000 的高字节）
起始地址低字节	1	寄存器起始地址的低 8 位（大端序）	00（对应地址 0x0000 的低字节）
数量高字节	1	寄存器数量的高 8 位（大端序）	00（2 个寄存器的高字节 0x0002）
数量低字节	1	寄存器数量的低 8 位（大端序）	02（2 个寄存器的低字节 0x0002）
数据长度	1	数据总字节数（数量×2）	04（2 个寄存器 → 2×2=4 字节）
寄存器值 1 高字节	1	第一个寄存器值的高 8 位（大端序）	00（0x0001 的高字节）
寄存器值 1 低字节	1	第一个寄存器值的低 8 位（大端序）	01（0x0001 的低字节）
寄存器值 2 高字节	1	第二个寄存器值的高 8 位（大端序）	00（0x0001 的高字节）
寄存器值 2 低字节	1	第二个寄存器值的低 8 位（大端序）	01（0x0001 的低字节）
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	63（计算结果）
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	AF（计算结果）
示例请求帧：01 10 00 00 00 02 04 00 01 00 01 63 AF

从机响应帧结构：

字段	字节数	含义	示例（确认写入 2 个寄存器）
从机地址	1	自身地址（如 0x01）	01
功能码	1	0x10（与请求一致）	10
起始地址高字节	1	寄存器起始地址的高 8 位（大端序）	00
起始地址低字节	1	寄存器起始地址的低 8 位（大端序）	00
数量高字节	1	寄存器数量的高 8 位（大端序）	00
数量低字节	1	寄存器数量的低 8 位（大端序）	02
CRC 低字节	1	CRC 校验的低字节（小端序）	41
CRC 高字节	1	CRC 校验的高字节（小端序）	C8
示例响应帧：01 10 00 00 00 02 41 C8

三、异常响应（通用规则）

当从机无法执行请求时，返回 异常帧：

• 功能码：原功能码 最高位设为 1（如 0x03 → 0x83）。
• 异常码：1 字节，解释错误原因（如 0x02 表示 “非法数据地址”）。

示例：主站发 0x03 读不存在的寄存器，从机响应：
01 83 02 xx xx（0x83 是异常功能码，0x02 是 “非法地址” 异常码）。

C/C++实现

第三方库采用最流行的开源Modbus库：libmodbus.(vcpkg集成)

从机模拟工具采用Modbus Slave连接本机：

由于 Modbus RTU 通常基于串口（常见 RS-485、RS-232 ）进行通信，需要确保主设备具备串口接口。所以当前用Modbus TCP演示。

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <modbus.h>  // libmodbus 头文件#define SLAVE_ID     1       // 从站ID（界面显示 ID=1）
#define START_ADDR   0       // 起始地址（Alias 0 对应 Modbus 地址 0）
#define READ_COUNT   10      // 读取数量（Alias 0~9，共10个寄存器）
#define WRITE_ADDR   0       // 写入地址（Alias 0）
#define WRITE_VALUE  100     // 写入值（示例：100）int main() {modbus_t *ctx = NULL;     // Modbus 上下文uint16_t regs[READ_COUNT] = {0};  // 存储读取的寄存器值，16 位无符号整数int rc = -1;              // 操作返回值// ---------------------- 1. 创建 Modbus TCP 上下文 ----------------------ctx = modbus_new_tcp("127.0.0.1", 502);  // IP:127.0.0.1，端口:502if (ctx == NULL) {fprintf(stderr, "Error: 无法创建 Modbus 上下文！\n%s\n", modbus_strerror(errno));return -1;}// ---------------------- 2. 设置从站 ID ----------------------modbus_set_slave(ctx, SLAVE_ID);  // 匹配模拟设备的 ID=1// ---------------------- 3. 连接到模拟设备 ----------------------if (modbus_connect(ctx) == -1) {fprintf(stderr, "Error: 连接失败！\n%s\n", modbus_strerror(errno));modbus_free(ctx);  // 释放资源return -1;}printf("✅ 成功连接到 Modbus 从站（ID=%d）\n", SLAVE_ID);// ---------------------- 4. 读取保持寄存器（功能码 0x03） ----------------------rc = modbus_read_registers(ctx, START_ADDR, READ_COUNT, regs);if (rc == -1) {fprintf(stderr, "Error: 读取失败！\n%s\n", modbus_strerror(errno));} else {printf("📖 读取 %d 个寄存器（Alias 0~%d）：\n", rc, READ_COUNT-1);for (int i = 0; i < rc; i++) {printf("  Alias %d: %d\n", i, regs[i]);}}// ---------------------- 5. 写入单个保持寄存器（功能码 0x06） ----------------------rc = modbus_write_register(ctx, WRITE_ADDR, WRITE_VALUE);if (rc == -1) {fprintf(stderr, "Error: 写入失败！\n%s\n", modbus_strerror(errno));} else {printf("📝 成功写入 Alias %d：值 = %d\n", WRITE_ADDR, WRITE_VALUE);}// ---------------------- 6. 写入多个保持寄存器（功能码 0x10） ----------------------uint16_t values[READ_COUNT-1];  // 定义要写入的多个值for (int i = 0; i < READ_COUNT-1; i++) {values[i] = WRITE_VALUE + i + 1;  // 生成递增的值：101, 102, ..., 109}rc = modbus_write_registers(ctx, START_ADDR+1, READ_COUNT-1, values);if (rc == -1) {fprintf(stderr, "Error: 写入失败！\n%s\n", modbus_strerror(errno));} else {printf("📝 成功写入 %d 个寄存器（Alias %d~%d）：\n", rc, START_ADDR+1, START_ADDR + READ_COUNT-1);for (int i = 0; i < rc; i++) {printf("  Alias %d: %d\n", START_ADDR + 1 + i, values[i]);}}// ---------------------- 7. 验证写入结果 ----------------------rc = modbus_read_registers(ctx, START_ADDR, READ_COUNT, regs);if (rc == -1) {fprintf(stderr, "Error: 读取验证失败！\n%s\n", modbus_strerror(errno));} else {printf("🔍 验证结果：\n");for (int i = 0; i < rc; i++) {printf("  Alias %d: %d\n", i, regs[i]);}}// ---------------------- 8. 关闭连接并释放资源 ----------------------modbus_close(ctx);modbus_free(ctx);printf("🔌 连接已关闭\n");return 0;
}

运行结果：

流程总结：

 

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