modbus tcp 跟 modbus rtu

简述

Modbus TCP 和 Modbus RTU 是 Modbus 协议的两种主流实现，核心区别在于传输层和物理层，前者用以太网，后者用串行总线。

核心区别对比

对比维度	Modbus TCP	Modbus RTU
传输介质	以太网（网线、光纤等）	串行总线（RS-485、RS-232 等）
数据帧结构	包含 IP 地址、端口号（默认 502），无校验位	包含从站地址，需配置波特率、校验位（奇 / 偶 / 无）
传输速度	快，依赖以太网带宽（通常 10/100/1000Mbps）	慢，受串行总线限制（常见 9600-115200bps）
传输距离	远，可通过路由器、交换机扩展（理论无上限）	近，RS-485 单段最大约 1200 米
设备数量	无理论限制，仅受网络容量影响	有限制，RS-485 总线最多连接 32 个从站
适用场景	工业以太网环境（如车间局域网、远程监控）	短距离、小范围设备（如现场传感器、变频器）

Modbus 对照表

Modbus 常用功能码与寄存器操作对照表，包含功能码含义、对应寄存器类型、操作权限及典型应用场景

功能码	功能描述	操作的寄存器类型	读写权限	数据长度限制	典型应用场景
01	读取线圈状态	线圈寄存器（Coils）	只读	最多 2000 个线圈	查看多个开关设备状态（如多个阀门的开 / 关状态、指示灯亮灭）
02	读取离散输入状态	离散输入寄存器	只读	最多 2000 个输入点	查看外部传感器的开关量输入（如光电传感器是否检测到物体、限位开关状态）
03	读取保持寄存器	保持寄存器	只读	最多 125 个寄存器	读取设备的模拟量数据或参数（如温度、压力、转速、设定值）
04	读取输入寄存器	输入寄存器	只读	最多 125 个寄存器	读取实时采集的模拟量数据（如电流、电压、流量的实时测量值）
05	写入单个线圈	线圈寄存器（Coils）	只写	1 个线圈	控制单个开关设备（如启动 / 停止电机、打开 / 关闭单个阀门）
06	写入单个保持寄存器	保持寄存器	只写	1 个寄存器	修改单个设备参数（如设定变频器的目标转速、调整 PID 控制器的比例系数）
15	写入多个线圈	线圈寄存器（Coils）	只写	最多 1968 个线圈	批量控制多个开关设备（如同时启动多个电机、切换一组指示灯的状态）
16	写入多个保持寄存器	保持寄存器	只写	最多 123 个寄存器	批量修改设备参数（如一次性设置多个温度传感器的报警阈值、配置多组运行参数）

特殊功能码（较少见但重要）

功能码	功能描述	适用场景
07	读取异常状态	查看从设备的故障 / 异常状态（如：传感器通信错误、设备过载报警）
17	读取 / 写入文件记录	操作设备内部的文件数据（如：存储历史日志、批量备份 / 恢复设备参数）
22	掩码写入寄存器	只修改寄存器中的特定位（如：单独开启某设备的某个功能，不影响其他配置）

什么是 CRC 校验？

CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）是一种数据校验算法，通过对传输的二进制数据进行计算，生成一个固定长度的校验值（Modbus RTU 中为 2 字节，16 位），附加在报文末尾。接收方会对收到的数据重新计算 CRC 值，若与附加的校验值一致，则认为数据传输无误；否则判定为通信错误，会丢弃该报文。

Modbus RTU 中 CRC 校验的工作流程

• 发送方计算 CRC：
  • 主设备（或从设备）在组装完报文主体（地址、功能码、数据等）后，对这些数据按 CRC16 算法计算出一个 2 字节的校验值，附加在报文末尾。
  • 例如，发送报文 [01][03][00][00][00][02]（读取从站 01 的 2 个保持寄存器），计算出的 CRC 为 [C4][0B]，最终发送的完整报文为：[01][03][00][00][00][02][C4][0B]
• 接收方验证 CRC：
  • 接收设备收到完整报文后，忽略末尾的 2 字节 CRC，对前面的所有数据重新计算 CRC。若计算结果与收到的 CRC 一致，则处理该报文；否则视为无效数据，不响应或返回错误。

Modbus 中 CRC16 的算法细节
Modbus RTU 采用的是 CRC16-IBM 标准（多项式为 0xA001），具体计算步骤如下（简化版）：

• 初始化一个 16 位寄存器（CRC 寄存器）为 0xFFFF。
• 依次取报文中的每个字节，与 CRC 寄存器的低 8 位进行异或运算。
• 对 CRC 寄存器进行右移 1 位，若移出位为 1，则将寄存器与 0xA001 异或；否则直接右移。
• 重复步骤 3，直到该字节的 8 位全部处理完毕。
• 处理完所有字节后，CRC 寄存器的值即为最终的校验值（注意：Modbus 中会将高低字节交换后附加到报文）。

通信流程示例（Modbus RTU 模式）

以 “PLC 读取传感器的温湿度” 为例，完整流程如下：
主设备（PLC）发送请求帧功能码用 03（读取保持寄存器），请求读取传感器（从站地址 0x01）的温度（寄存器 0x0000）和湿度（寄存器 0x0001）：[01][03][00][00][00][02][C4][0B]

• 01：从站地址
• 03：功能码（读保持寄存器）
• 00 00：起始寄存器地址
• 00 02：读取寄存器数量（2 个：温度 + 湿度）
• C4 0B：CRC 校验位（串行通信的错误检测）

从设备（传感器）返回响应帧传感器收到请求后，返回温度（25.5℃ → 255）和湿度（60% RH → 600）：[01][03][04][00][FB][02][58][75][3B]

• 01：从站地址（确认是自己的响应）
• 03：功能码（与请求一致）
• 04：返回数据长度（4 字节）
• 00 FB：温度值（255 → 25.5℃）
• 02 58：湿度值（600 → 60.0% RH）
• 75 3B：CRC 校验位

主设备解析数据
PLC 收到响应后，将二进制数据转换为实际物理量（255÷10=25.5℃，600÷10=60% RH），完成一次通信。

以水泵作为 Modbus 从设备为例，能更具体地理解协议在实际工业设备中的应用。水泵通常通过 Modbus 协议与主设备（如 PLC、触摸屏）通信，实现状态监控和远程控制

水泵的 Modbus 寄存器映射（示例）
水泵的核心参数（状态、指令、数据）会映射到 Modbus 寄存器，不同厂商定义可能不同，但逻辑类似：

寄存器类型	地址（0 基）	功能描述	读写权限	数据含义（示例）	对应功能码操作
线圈寄存器	0x0000	水泵运行 / 停止控制	读写	1 = 运行，0 = 停止	05（单线圈写入）、01（读取）
线圈寄存器	0x0001	故障复位	只写	1 = 触发复位，0 = 无动作（脉冲指令）	05（单线圈写入）
离散输入寄存器	0x0000	水泵实际运行状态	只读	1 = 正在运行，0 = 已停止	02（读取）
离散输入寄存器	0x0001	故障报警状态	只读	1 = 有故障，0 = 正常	02（读取）
保持寄存器	0x0000	设定频率（转速）	读写	数值 = 频率值 ×10（如 500 表示 50.0Hz）	03（读取）、06（写入）
保持寄存器	0x0001	实际运行频率	只读	数值 = 实际频率 ×10（如 485 表示 48.5Hz）	03（读取）
保持寄存器	0x0002	电流检测值	只读	数值 = 电流值 ×100（如 350 表示 3.50A）	03（读取）
保持寄存器	0x0003	故障代码	只读	0 = 无故障，1 = 过载，2 = 欠压，3 = 过流	03（读取）

1. 通信示例：主设备控制水泵运行并读取状态

• 假设水泵的从站地址为 0x05，主设备（PLC）需要完成两个操作：
• 启动水泵（写入单个线圈）
• 目标：控制线圈寄存器 0x0000（运行 / 停止位）为 1（运行）。
• 功能码：05（写入单个线圈）。
• 报文结构：
  • [05][05][00][00][FF][00][8C][3A]
  • 05：从站地址（水泵地址）
  • 05：功能码（写入单个线圈）
  • 00 00：线圈地址（0x0000）
  • FF 00：写入值（1=0xFF00，0=0x0000）
  • 8C 3A：CRC 校验位

2. 读取水泵运行状态和电流（读取保持寄存器）

• 目标：读取保持寄存器 0x0001（实际频率）和 0x0002（电流值）。
• 功能码：03（读取保持寄存器）。
• 报文结构：[05][03][00][01][00][02][74][0A]
• 05：从站地址
• 03：功能码（读取保持寄存器）
• 00 01：起始地址（从 0x0001 开始）
• 00 02：读取数量（2 个寄存器）
• 74 0A：CRC 校验位
• 水泵响应报文（假设实际频率 48.5Hz，电流 3.50A）：[05][03][04][01][E5][01][5E][D7][9B]
  • 05：从站地址（确认响应）
  • 03：功能码（与请求一致）
  • 04：返回数据长度（4 字节）
  • 01 E5：实际频率（0x01E5=485 → 48.5Hz）
  • 01 5E：电流值（0x015E=350 → 3.50A）
  • D7 9B：CRC 校验位