Modbus通信协议详细标准文档

Modbus通信协议详细标准文档1.引言Modbus通信协议作为工业自动化领域应用最为广泛的开放式串行通信协议之一，其设计初衷在于为不同厂商生产的智能设备提供统一的通信标准，实现设备间的互联互通。自诞生以来，凭借其简洁、高效、易于实现的特性，Modbus在工业控制、能源管理、楼宇自动化等诸多领域得到了广泛的应用与支持。本文档旨在详细阐述Modbus协议的技术规范，包括其基本原理、数据模型、帧结构、功能码及应用实践等关键内容，为相关技术人员提供一份专业、严谨且具有实用价值的参考资料。2.Modbus协议基础2.1协议定义与架构Modbus协议是一种主从式（Master-Slave）通信协议，也可称为客户端/服务器（Client/Server）模型。在该架构下，网络中存在一个主站（客户端）和一个或多个从站（服务器）。主站负责主动发起通信请求，从站则根据主站的请求进行响应。从站之间不能直接进行通信，必须通过主站进行中转。2.2协议数据单元（PDU）Modbus协议的核心是协议数据单元（ProtocolDataUnit,PDU）。PDU定义了主站请求的操作以及从站响应的结果。它由两部分组成：功能码（FunctionCode）和数据（Data）。功能码指示了从站应执行的操作类型，数据部分则包含了与该操作相关的具体信息，如寄存器地址、数据长度、待写入的数据等。2.3地址域在Modbus通信中，每个从站都拥有唯一的地址（通常称为从站地址或设备地址），以便主站能够准确识别并与之通信。地址范围通常为1至247（十进制），其中0为广播地址，可用于向所有从站发送指令（但并非所有从站都支持广播功能）。2.4功能码功能码是ModbusPDU中至关重要的组成部分，它定义了通信的具体操作。主站通过发送特定的功能码来请求从站执行相应的操作，从站在正常响应时会返回相同的功能码，若发生错误则会返回一个带有错误标志的功能码（原功能码最高位设为1）。3.数据模型与地址映射Modbus协议定义了四种基本的数据类型，这些数据类型对应于工业控制中常见的输入输出信号和参数存储。每种数据类型都有其特定的地址范围和访问规则。3.1线圈（Coils）*描述：线圈对应于工业控制中的离散输出信号，如继电器的触点、LED指示灯等。*数据长度：1位（bit）。*访问权限：可读可写。*地址范围：通常为____至____（十进制，某些实现中可能采用0-based索引，如____至____）。在协议帧中，地址可能以无符号字节或字的形式表示，具体取决于实现。3.2离散输入（DiscreteInputs）*描述：离散输入对应于工业控制中的离散输入信号，如限位开关、接近传感器等。*数据长度：1位（bit）。*访问权限：只读。*地址范围：通常为____至____（十进制，某些实现中可能采用0-based索引，如____至____）。3.3输入寄存器（InputRegisters）*描述：输入寄存器用于存储模拟量输入信号经过A/D转换后的数据，如温度、压力、流量等测量值。*数据长度：16位（2字节，一个字）。*访问权限：只读。*地址范围：通常为____至____（十进制，某些实现中可能采用0-based索引，如____至____）。3.4保持寄存器（HoldingRegisters）*描述：保持寄存器用于存储设备的参数设置、中间计算结果或需要长期保存的数值数据。*数据长度：16位（2字节，一个字）。*访问权限：可读可写。*地址范围：通常为____至____（十进制，某些实现中可能采用0-based索引，如____至____）。3.5地址映射注意事项不同的Modbus设备制造商在实现地址映射时可能存在细微差异，尤其是在地址是否包含偏移量方面。例如，某些文档中描述保持寄存器起始地址为____，而在实际协议帧中，该地址可能被表示为0000（即____-____=0000）。因此，在进行设备集成时，务必仔细查阅设备的Modbus协议手册，确认其地址编码方式（基于1还是基于0）。4.Modbus帧结构详解Modbus协议在不同的物理层和数据链路层上传输时，其帧结构会有所不同。最常见的两种串行传输模式是RTU（RemoteTerminalUnit）模式和ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）模式。此外，在TCP/IP网络上，Modbus协议通常封装为ModbusTCP。4.1ModbusRTU模式RTU模式是一种紧凑的、二进制的表示方式，具有较高的传输效率和较强的抗干扰能力，是工业现场最常用的模式。*帧结构：`[从站地址][功能码][数据域][CRC校验]`*从站地址（SlaveAddress）：1字节，范围0x01至0xFF（0x00为广播地址）。*功能码（FunctionCode）：1字节，如0x03（读保持寄存器）、0x06（写单个保持寄存器）。*数据域（DataField）：N字节，内容取决于功能码，可能包含起始地址、数据数量、数据值等。*CRC校验（CyclicRedundancyCheck）：2字节，用于检测传输过程中的错误，对从站地址、功能码和数据域进行计算。*传输特点：*字符间无间隔，帧与帧之间通过至少3.5个字符时间的静默间隔来区分。*每个8位字节包含两个4位十六进制字符。4.2ModbusASCII模式ASCII模式将每个字节的数据转换为两个ASCII字符表示，可读性强，但传输效率较低，抗干扰能力也弱于RTU模式。*帧结构：`[:][从站地址][功能码][数据域][LRC校验][回车][换行]`*起始符（:）：1字节，ASCII码0x3A，标识一帧的开始。*从站地址（SlaveAddress）：2个ASCII字符，代表1字节的地址值（00至FF）。*功能码（FunctionCode）：2个ASCII字符，代表1字节的功能码。*数据域（DataField）：2N个ASCII字符，代表N字节的数据。*LRC校验（LongitudinalRedundancyCheck）：2个ASCII字符，用于检测传输错误，对从站地址、功能码和数据域的ASCII字符所代表的字节值进行计算。*结束符（CR/LF）：2字节，ASCII码0x0D和0x0A，标识一帧的结束。*传输特点：*帧内字符间时间间隔不应超过1秒，否则帧被认为无效。*帧与帧之间无严格的时间间隔要求。4.3ModbusTCP模式ModbusTCP是将Modbus协议数据单元（PDU）封装在TCP/IP报文中进行传输的方式，主要用于以太网环境。*帧结构：`[MBAP报文头][ModbusPDU]`*MBAP报文头（ModbusApplicationProtocolHeader）：7字节，用于标识Modbus应用数据单元。*事务处理标识符（TransactionIdentifier）：2字节，用于匹配请求与响应。*协议标识符（ProtocolIdentifier）：2字节，0x0000表示Modbus协议。*长度（Length）：2字节，指示后续字节数（包括单元标识符和PDU长度）。*单元标识符（UnitIdentifier）：1字节，类似于串行链路中的从站地址，用于在路由场景下标识特定的Modbus设备。*ModbusPDU：`[功能码][数据域]`，与串行Modbus中的PDU相同。*传输特点：*基于TCP协议，使用知名端口502（可配置）。*利用TCP的可靠性，无需额外的校验码（CRC/LRC）。5.常用功能码解析Modbus协议定义了众多功能码，以下介绍一些最常用和基础的功能码及其应用。5.1读线圈状态（ReadCoils）-功能码0x01*功能：用于读取一个或多个线圈的当前状态（ON/OFF）。*请求PDU格式：`[0x01][起始地址高字节][起始地址低字节][数量高字节][数量低字节]`*起始地址：指要读取的第一个线圈的地址。*数量：指要读取的线圈数量，范围1至256。*响应PDU格式：`[0x01][字节数][线圈状态数据...]`*字节数：指示后续数据的字节数，计算方式为ceil(数量/8)。*线圈状态数据：每个字节的每一位代表一个线圈的状态，最低位（LSB）对应起始地址的线圈。5.2读离散输入状态（ReadDiscreteInputs）-功能码0x02*功能：用于读取一个或多个离散输入的当前状态（ON/OFF）。*请求PDU格式：与功能码0x01相同。*响应PDU格式：与功能码0x01相同。5.3读保持寄存器（ReadHoldingRegisters）-功能码0x03*功能：用于读取一个或多个保持寄存器中的16位二进制数据。*请求PDU格式：`[0x03][起始地址高字节][起始地址低字节][数量高字节][数量低字节]`*起始地址：指要读取的第一个保持寄存器的地址。*数量：指要读取的寄存器数量，范围1至125。*响应PDU格式：`[0x03][字节数][寄存器数据...]`*字节数：数量*2。*寄存器数据：每个寄存器的数据用两个字节表示，通常采用大端（Big-Endian）格式。5.4读输入寄存器（ReadInputRegisters）-功能码0x04*功能：用于读取一个或多个输入寄存器中的16位二进制数据。*请求PDU格式：与功能码0x03相同。*响应PDU格式：与功能码0x03相同。5.5写单个线圈（WriteSingleCoil）-功能码0x05*功能：用于将单个线圈设置为ON或OFF状态。*请求PDU格式：`[0x05][线圈地址高字节][线圈地址低字节][状态高字节][状态低字节]`*线圈地址：要写入的线圈地址。*状态：0xFF00表示ON，0x0000表示OFF。其他值被认为是无效的。*响应PDU格式：与请求PDU格式相同，表示从站已接收并执行了该命令。5.6写单个保持寄存器（WriteSingleHoldingRegister）-功能码0x06*功能：用于向单个保持寄存器写入一个16位二进制数据。*请求PDU格式：`[0x06][寄存器地址高字节][寄存器地址低字节][数据高字节][数据低字节]`*寄存器地址：要写入的保持寄存器地址。*数据：要写入的16位数据。*响应PDU格式：与请求PDU格式相同，表示从站已接收并执行了该命令。5.7写多个线圈（WriteMultipleCoils）-功能码0x0F*功能：用于将多个线圈设置为ON或OFF状态。*请求PDU格式：`[0x0F][起始地址高字节][起始地址低字节][数量高字节][数量低字节][字节数][线圈状态数据...]`*起始地址：要写入的第一个线圈的地址。*数量：要写入的线圈数量，范围1至256。*字节数：指示后续状态数据的字节数，计算方式为ceil(数量/8)。*线圈状态数据：每个位代表一个线圈的状态。*响应PDU格式：`[0x0F][起始地址高字节][起始地址低字节][数量高字节][数量低字节]`，确认写入的起始地址和数量。5.8写多个保持寄存器（WriteMultipleHoldingRegisters）-功能码0x10*功能：用于向多个保持寄存器写入16位二进制数据。*请求PDU格式：`[0x10][起始地址高字节][起始地址低字节][数量高字节][数量低字节][字节数][寄存器数据...]`*起始地址：要写入的第一个保持寄存器的地址。*数量：要写入的寄存器数量，范围1至123。*字节数：数量*2。*寄存器数据：每个寄存器的数据用两个字节表示，大端格式。*响应PDU格式：`[0x10][起始地址高字节][起始地址低字节][数量高字节][数量低字节]`，确认写入的起始地址和数量。6.错误处理机制当从站接收到主站的请求后，如果无法正常执行（例如，地址超出范围、功能码不支持、数据格式错误等），会返回一个异常响应。*异常响应PDU格式：`[异常功能码][异常码]`*异常功能码：将主站请求的功能码最高位（bit7）置为1。例如，请求功能码0x03，异常时返回0x83。*异常码（ExceptionCode）：1字节，指示具体的错误原因。*常见异常码：*0x01：非法功能码-从站不支持该功能码。*0x02：非法数据地址-请求访问的地址超出从站的有效范围。*0x03：非法数据值-请求中的数据值超出允许范围或格式错误。*0x04：从站设备故障-从站在执行请求时发生不可