Modbus协议是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议,由Modicon公司（现为施耐德电气）于1979年推出，旨在实现不同设备之间的串行通信，该协议基于主从架构，支持多种物理层（如RS-232、RS-485、以太网等）和传输模式（ASCII、RTU、TCP/IP），具有简单、开放、可靠的特点，成为工业设备互连的事实标准，Modbus协议的核心是通过特定的命令格式实现主从设备之间的数据交换，主要包括读取线圈状态、读取离散输入、读取保持寄存器、读取输入寄存器、写入单个线圈、写入单个寄存器、写入多个线圈和写入多个寄存器等功能命令，这些命令通过不同的功能码（Function Code）进行区分，每种功能码对应特定的操作类型，其数据帧结构通常包含设备地址、功能码、数据地址、数据数量和校验码等字段，确保通信的准确性和可靠性。
Modbus协议命令详解
Modbus协议的命令根据功能类型可分为两大类：一类是读操作命令，用于从从设备获取数据；另一类是写操作命令，用于向从设备写入数据，以下对常用命令的功能码、数据格式及应用场景进行详细说明：
读操作命令
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功能码01（读取线圈状态）：用于读取从设备中线圈的开关状态（1为ON，0为OFF），其数据帧结构中，数据地址通常以0x0000开始，线圈数量最大为2000（0x07D0），主设备发送命令“01 01 00 00 00 08 CRC”，表示从设备01读取起始地址为0x0000的8个线圈状态，从设备返回数据格式为“01 01 05 01 00 01 00 00 CRC”，其中05表示返回5个字节的数据，后续字节为线圈状态按位组合的结果。
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功能码02（读取离散输入）：与功能码01类似，但读取的是从设备的离散输入状态（通常为物理输入点的状态），数据地址和数量规则与功能码01一致，适用于需要监测外部开关信号的场景。
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功能码03（读取保持寄存器）：用于读取从设备的保持寄存器数据（通常为配置参数或测量值），寄存器地址以0x0000开始，每个寄存器占16位，最大读取数量为125（0x7D），读取设备01的0x0000至0x0004共5个寄存器，主设备发送“01 03 00 00 00 05 CRC”，返回数据格式为“01 03 0A 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 CRC”，其中0A表示返回10个字节（5个寄存器×2字节）。
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功能码04（读取输入寄存器）：用于读取从设备的输入寄存器数据（通常为传感器或变送器的实时数据），寄存器地址和数量规则与功能码03一致，适用于需要获取模拟量输入值的场景。
写操作命令
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功能码05（写入单个线圈）：用于向从设备写入单个线圈的开关状态，数据帧中包含线圈地址和状态值（0xFF00表示ON，0x0000表示OFF），将设备01的线圈0x0000置为ON，主设备发送“01 05 00 00 FF 00 CRC”，从设备返回确认帧“01 05 00 00 FF 00 CRC”。
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功能码06（写入单个寄存器）：用于向从设备写入单个寄存器的16位数据，数据帧包含寄存器地址和数据值，向设备01的寄存器0x0000写入0x1234，发送“01 06 00 00 12 34 CRC”，返回确认帧“01 06 00 00 12 34 CRC”。
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功能码15（写入多个线圈）：用于批量写入线圈状态，数据帧中需包含线圈数量和状态值列表（每个字节表示8个线圈状态），向设备01的0x0000至0x0004共5个线圈写入状态，发送“01 0F 00 00 00 05 06 01 00 01 00 00 00 00 CRC”，其中06表示后续6个字节为数据。
（图片来源网络，侵删） -
功能码16（写入多个寄存器）：用于批量写入寄存器数据，是最常用的写操作命令之一，数据帧中需包含寄存器数量和数据值列表（每个寄存器2字节），向设备01的0x0000至0x0002共3个寄存器写入0x1234、0x5678、0x9ABC，发送“01 10 00 00 00 03 06 12 34 56 78 9A BC CRC”，其中06表示后续6个字节为数据。
Modbus协议命令数据帧结构
Modbus协议的数据帧结构因传输模式（RTU/TCP）不同而有所差异，以下以RTU模式为例说明：
| 字段 | 长度（字节） | 说明 |
|---|---|---|
| 设备地址 | 1 | 从设备的唯一标识，范围0-247（0和255为广播地址） |
| 功能码 | 1 | 区分命令类型（如01、03、16等） |
| 数据地址 | 2 | 寄存器或线圈的起始地址（大端格式） |
| 数据数量 | 2 | 读取或写入的数据数量（大端格式） |
| 数据值 | N×2 | 写入操作时的寄存器数据（N为数量） |
| CRC校验码 | 2 | 用于错误检测的循环冗余校验（RTU模式特有） |
TCP模式的数据帧在RTU基础上增加了MBAP报头（7字节），包含事务标识符、协议标识符、长度和单元标识符（相当于设备地址），但无需CRC校验，改用TCP校验和。
应用场景与注意事项
Modbus协议广泛应用于PLC、变频器、传感器、HMI等工业设备的通信，在实际应用中，需注意以下问题：
- 地址映射：不同设备对寄存器地址的映射可能不同，需参考设备手册确认地址范围（如有些设备从1开始编号，而非0）。
- 通信参数：主从设备的波特率、数据位、停止位、校验位必须一致，RS-485网络需终端电阻匹配。
- 超时处理：主设备需设置合理的超时时间，避免从设备无响应时通信阻塞。
- 错误处理：从设备返回的异常响应（功能码最高位为1）需解析错误码（如非法地址、非法数据量等）。
相关问答FAQs
Q1: Modbus协议中功能码与数据地址的关系是什么？
A1: 功能码定义了操作类型（如读/写、线圈/寄存器），而数据地址指定了操作的具体目标位置，功能码03（读保持寄存器）的数据地址0x0000表示第一个保持寄存器，0x0001表示第二个，依此类推，需要注意的是，部分设备手册中地址从1开始编号，实际通信时需减1转换为0-based地址。
Q2: 如何解决Modbus通信中的“非法数据地址”错误？
A2: “非法数据地址”错误（异常响应功能码为0x82、0x83等）通常由以下原因导致：① 数据地址超出从设备支持的寄存器/线圈范围；② 地址映射错误（如将输入寄存器地址用于读取保持寄存器），解决方法包括：① 检查设备手册确认地址范围；② 验证功能码与数据类型是否匹配；③ 使用Modbus调试工具（如Modbus Poll）监控通信帧，定位具体错误地址。
