Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点）
文章目录
- Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点与最佳实践）
- 1. Modbus 是啥（一句话版）
- 2. 数据模型：四类“地址空间”
- 3. 传输形态与帧结构
- 3.1 Modbus RTU（串口）
- 3.2 Modbus TCP（以太网）
- 4. 必背功能码（现场 90% 用这些）
- 5. 地址与数据编码的坑
- 6. 最小闭环：如何“正确把数读出来”
- 6.1 串口（RTU）最小步骤
- 6.2 以太网（TCP）最小步骤
- 7. 异常响应（错误码）速记
- 8. 小示例（思路级伪代码）
- 8.1 读保持寄存器（TCP）
- 8.2 写单个寄存器（RTU）
- 9. 现场调试清单（拎着就走）
- 10. 常见 FAQ
- 11. 你可能用得上的补充知识点
- 12. 一页速查卡（Cheat Sheet）
Modbus 速查与实战笔记（功能码、帧结构、坑点与最佳实践）
这篇当做一份能落地的备忘录：概念够用、步骤清晰、功能码一页记住，顺手补上常见坑和调试要点。少花时间踩雷，多花时间把数读对。
1. Modbus 是啥（一句话版）
工业现场最常见的主从式（Client/Server）通信协议之一。串口时代用 RTU/ASCII（走 RS-485/RS-232），以太网时代用 Modbus TCP（端口 502）。简单、稳定、跨厂商通用，但无认证、无遮挡——生产网请收口隔离。
2. 数据模型：四类“地址空间”
设备内部数据被抽象成 4 类寄存器/位，读写行为受功能码约束：
- Coils（线圈）：开关量输出，布尔，可读写
- Discrete Inputs（离散输入）：开关量输入，布尔，只读
- Holding Registers（保持寄存器）：16 位寄存器，可读写（常用来存参数/输出）
- Input Registers（输入寄存器）：16 位寄存器，只读（常用来读测量值）
传统文档里会看到 0xxxx/1xxxx/3xxxx/4xxxx 的“人类友好地址”，协议帧里没有这些前缀，只有零基地址。是否偏移 +1，各家实现不一——最容易踩坑，下文有对策。
3. 传输形态与帧结构
3.1 Modbus RTU（串口）
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物理层：常见 RS-485 半双工，多点总线
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帧格式（请求示例，读保持寄存器 0x03）
[SlaveID][Func][StartAddrHi][StartAddrLo][QtyHi][QtyLo][CRCLo][CRCHi]响应：
[SlaveID][Func][ByteCount][Data(2*N bytes)][CRCLo][CRCHi] -
CRC16：初值 0xFFFF，多项式 0xA001（低字节在前）
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定时：帧间至少 3.5 字符时间静默；字符间不应超过 1.5 字符时间，否则被视为断帧
3.2 Modbus TCP（以太网）
-
端口 502，不带 CRC，在 TCP 里靠 MBAP 头
-
MBAP Header：
[TransactionID(2)][ProtocolID=0(2)][Length(2)][UnitID(1)]随后是 PDU：
[Func][Data...] -
UnitID：穿透网关时用来指明下游 RTU 的从站地址；直连纯 TCP 设备时通常固定为设备定义的值（常见 1）
术语对齐：
PDU（Protocol Data Unit）= 功能码 + 数据；
ADU（Application Data Unit）= 传输介质相关的完整帧（RTU=地址+PDU+CRC，TCP=MBAP+PDU）。
4. 必背功能码（现场 90% 用这些）
| 功能码 | 名称 | 读写 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| 01 (0x01) | Read Coils | 读 | 开关量输出状态 |
| 02 (0x02) | Read Discrete Inputs | 读 | 开关量输入状态 |
| 03 (0x03) | Read Holding Registers | 读 | 读参数、模拟量、运算结果 |
| 04 (0x04) | Read Input Registers | 读 | 读传感器测量值 |
| 05 (0x05) | Write Single Coil | 写 | 置位/复位一个线圈 |
| 06 (0x06) | Write Single Register | 写 | 写入一个保持寄存器 |
| 0F (0x0F) | Write Multiple Coils | 写 | 批量写线圈 |
| 10 (0x10) | Write Multiple Registers | 写 | 批量写保持寄存器 |
| 17 (0x17) | Read/Write Multiple Registers | 读写 | 一次性读写寄存器（少见但高效） |
其他常见但非必背：
08 诊断、11 报告设备 ID、14/15 文件记录、16 掩码写寄存器、18 读 FIFO、2B/0E（设备识别，Modbus TCP 常见）。
广播地址 0（仅 RTU/ASCII）：无响应，只能用于部分写操作。
5. 地址与数据编码的坑
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偏移问题（0/1 基）
- 设备手册写“40001”的点，协议里通常发 0x0000。
- 有的厂商把“寄存器号 40001”直接当 1 用。
- 对策：先读一个已知值的寄存器，连着试 addr 和 addr-1，一眼就能确认。
-
字节序 & 字序
- 单个寄存器 16 位：**大端字节序（高字节在前）**是 Modbus 约定。
- 32 位/64 位：跨两个/多个寄存器时，不同厂商可能字序交换（word swap），甚至“字节+字都交换”。
- 对策：拿一个易识别常量（如 1.0f、1000 或时间戳）对照，快速判别组合方式。
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布尔打包
- 01/02 返回的位是从 LSB 开始依序装在字节里；第 0 位对应请求的起始地址。
6. 最小闭环：如何“正确把数读出来”
6.1 串口（RTU）最小步骤
- 物理层：两线 RS-485，末端 120Ω 终端电阻，总线两端加，偏置电阻/Fail-safe建议到位。
- 接口参数：波特率/数据位/校验/停止位要与设备一致（常见 9600/19200，8E1 或 8N1）
- 从站地址：1–247，确定唯一
- 先用 功能码 03 读一个已知寄存器，确认地址偏移与字节/字序
- 写操作先在仿真/非产线环境验证，避免误动作
6.2 以太网（TCP）最小步骤
- 设备 IP、端口 502 可达；生产网请VLAN/ACL隔离
- 若通过网关转 RTU，UnitID 必须为下游 RTU 的从站地址
- 仍旧用 03 做握手验证，再扩展到批量读写
7. 异常响应（错误码）速记
当设备返回的功能码最高位被置 1（如请求 0x03，响应 0x83），随后的一个字节是异常码：
- 01：非法功能（该设备不支持这个功能码）
- 02：非法数据地址（寄存器不存在/不可达）
- 03：非法数据值（长度、范围不合法）
- 04：从站设备故障（内部错误）
- 05：已接收请求，处理需时间（少见）
- 06：从站忙
- 08：存储奇偶错误
- 0A/0B：网关路径不可达 / 目标设备无响应（TCP-RTU 网关场景）
读到这些，先检查功能码是否对、地址是否对、长度是否越界、权限是否允许。
8. 小示例（思路级伪代码）
8.1 读保持寄存器（TCP）
目标：读设备 10.0.0.5 上保持寄存器起始 0（40001）起的 2 个寄存器，UnitID=1请求PDU: [0x03][0x00 0x00][0x00 0x02]
MBAP: TxID任意; ProtID=0; Length = PDU长度 + UnitID(1)
完整: MBAP + [UnitID=0x01] + PDU
响应: [0x03][0x04][Data0Hi Data0Lo Data1Hi Data1Lo]
把两个寄存器按设备手册组合成 32 位（注意字序）
8.2 写单个寄存器（RTU）
[SlaveID][0x06][AddrHi][AddrLo][DataHi][DataLo][CRCLo][CRCHi]
响应会回显同样内容，CRC 校验一致
9. 现场调试清单（拎着就走）
- 物理层：A/B 极性各家标法不一（有厂商 A=–，B=+），不通就对调再测；总线只在两端加终端电阻
- 串口参数：波特率/校验必须匹配；RTU 帧间隔别被驱动层无意拉大
- 地址：先 03 读一个已知值；不通就试addr 与 addr-1
- 数据：确认字节序+字序；浮点/整型转换别混
- 网关：TCP 的 UnitID 与下游从站地址一致
- 安全：端口 502 不外曝；分区分域，必要时加网关白名单/隧道
- 抓包：以太网可用抓包器看 MBAP/PDU；串口用 USB-485 + 串口监视工具
10. 常见 FAQ
- 能广播写吗？ RTU/ASCII 可用从站地址 0 做无应答写（仅部分写类功能支持），TCP 没有广播。
- 一次最多读多少？ 标准上寄存器读常见上限 125（字），线圈 2000（位）；很多设备更保守。
- 为什么读 32 位总是错位？ 你和设备对“高字在前/低字在前”的理解不一致。先读一组已知值或文档示例校对字序。
- 能否混合长短帧？ RTU 要求一个帧内连续发送，字符间隔不要超过 1.5 字符时间。
11. 你可能用得上的补充知识点
- ASCII 模式：以
:开头、结尾\r\n、校验 LRC，人眼可读但效率低，现代现场罕用 - 文件记录/设备识别：0x14/0x15/0x2B-0x0E 能读设备序列号、版本等，做资产盘点挺香
- 时间同步：无内建时钟同步，通常通过写寄存器实现（厂商自定义）
- 冗余：协议本身不管冗余，靠上层逻辑或网络结构实现
12. 一页速查卡（Cheat Sheet）
- 必用功能码：01/02/03/04/05/06/0F/10（+ 17 进阶）
- 地址：文档 40001 ⇄ 帧里 0x0000（小心 +1 偏移）
- 字节序：寄存器大端；跨寄存器字序不定，实测为准
- RTU 定时：帧间 ≥ 3.5 char；CRC16 初值 0xFFFF，多项式 0xA001
- TCP：端口 502；MBAP 有 TransactionID/Length/UnitID；无 CRC
- 异常码：01/02/03/04 最常见
- 安全：不暴露公网，网关/ACL 掐死