Modbus协议作为一种工业领域广泛应用的通信协议，其核心在于通过不同的命令码实现对从设备的读写操作，命令码是Modbus报文中的关键字段，决定了从设备需要执行的具体功能，直接关系到数据交互的准确性和设备控制的可靠性，深入理解Modbus命令码的分类、功能及实现逻辑，对于开发、调试和维护基于Modbus的自动化系统具有重要意义。
Modbus协议支持多种传输介质（如RS-232、RS-485、TCP/IP等），但命令码的定义与传输介质无关，主要分为两大类：基于串行链路的Modbus RTU命令码和基于以太网的Modbus TCP命令码，其中大部分命令码在两种模式下功能保持一致，根据功能划分，Modbus命令码可分为 coils（线圈）读写、discrete inputs（离散输入）读取、holding registers（保持寄存器）读写、input registers（输入寄存器）读取四大类，此外还包括少量用于文件记录、诊断等功能的扩展命令码。
在基础功能命令码中，读取线圈状态（功能码01）是最常用的命令之一，用于读取从设备中1-2000个连续线圈的ON/OFF状态（0或1），主设备发送的请求报文包含从设备地址、功能码01、起始地址（两个字节，0000-FFFF）及线圈数量（两个字节），从设备成功响应后，会返回一个字节数据场，其中每一位对应一个线圈的状态，若返回字节为05（二进制00000101），则表示前两个线圈为OFF，第三、四个线圈为ON，与之相对，写入单个线圈（功能码05）则用于将指定线圈置为ON或OFF，请求报文包含从设备地址、功能码05、线圈地址及输出值（FF00表示ON，0000表示OFF）,从设备响应时需回显整个请求报文以确认操作。
读取离散输入状态（功能码02）与读取线圈状态类似，但针对的是只读的离散输入点（如限位开关、按钮状态等），其报文结构与功能码01基本一致，起始地址和数量的定义范围也相同，区别仅在于数据来源为从设备的输入映射表，而非可写的线圈映射表，对于保持寄存器的读写，功能码03（读取保持寄存器）和功能码06（写入单个保持寄存器）是核心命令，保持寄存器是16位的寄存器，用于存储数值型数据（如设定值、测量值等），其地址范围通常为40001-49999（十进制）或0000-FFFF（十六进制），功能码03的请求报文包含起始寄存器地址和寄存器数量（1-125个），响应报文的数据场中每个寄存器占两个字节（大端格式）；功能码06则用于写入单个16位寄存器，请求报文包含寄存器地址和写入值（两个字节），响应报文与请求报文一致，当需要写入多个保持寄存器时，可采用功能码16（写入多个寄存器），其请求报文包含寄存器数量、字节计数及连续的寄存器值，支持最多123个寄存器（246字节）的批量写入,显著提高了数据传输效率。
输入寄存器的读取通过功能码04实现，与保持寄存器不同，输入寄存器为只读，通常来自从设备的模拟输入模块（如温度、压力传感器值），其报文结构与功能码03完全相同，但数据来源为输入寄存器映射表（地址范围通常为30001-39999或0000-FFFF），除了上述基础命令码，Modbus还包含一些扩展功能码，如功能码15（强制多个线圈）与功能码16类似，但用于写入多个线圈状态；功能码22（屏蔽写寄存器）则允许对保持寄存器的特定位进行修改，而不影响其他位，适用于需要精确控制寄存器数值的场景；功能码08（诊断）用于从设备的自检和故障诊断，可通过子功能码实现不同的诊断操作，如回显数据、返回事件计数等。
在实际应用中，Modbus命令码的正确使用需注意以下几点：一是地址格式的一致性，不同设备可能采用十进制或十六进制地址，需确保主从设备地址定义统一；二是字节序问题，多字节数据（如寄存器值）需按大端格式（高位在前）传输；三是错误处理，从设备在无法执行命令时会返回异常响应，异常码指明错误原因（如非法地址、非法数据值等），主设备需具备异常处理机制；四是通信参数匹配，RTU模式需保证波特率、数据位、停止位、校验位的一致性,TCP模式则需关注MBAP报头中的单元标识符与从设备地址的对应关系。
以下是Modbus部分基础命令码的功能总结表：
| 功能码 | 功能名称 | 请求报文数据场 | 响应报文数据场 | 支持的数据类型 |
|---|---|---|---|---|
| 01 | 读取线圈状态 | 起始地址（2字节）、线圈数量（2字节） | 字节计数（1字节）、线圈状态字节（N字节） | 单个比特（ON/OFF） |
| 02 | 读取离散输入状态 | 起始地址（2字节）、输入点数量（2字节） | 字节计数（1字节）、输入状态字节（N字节） | 单个比特（ON/OFF） |
| 03 | 读取保持寄存器 | 起始地址（2字节）、寄存器数量（2字节） | 字节计数（1字节）、寄存器值（2N字节） | 16位有符号/无符号整数 |
| 04 | 读取输入寄存器 | 起始地址（2字节）、寄存器数量（2字节） | 字节计数（1字节）、寄存器值（2N字节） | 16位有符号/无符号整数 |
| 05 | 写入单个线圈 | 线圈地址（2字节）、输出值（2字节） | 线圈地址（2字节）、输出值（2字节） | 单个比特（ON/OFF） |
| 06 | 写入单个保持寄存器 | 寄存器地址（2字节）、写入值（2字节） | 寄存器地址（2字节）、写入值（2字节） | 16位有符号/无符号整数 |
| 15 | 强制多个线圈 | 起始地址（2字节）、线圈数量（2字节）、字节计数（1字节）、线圈状态字节（N字节） | 起始地址（2字节）、线圈数量（2字节） | 单个比特（ON/OFF） |
| 16 | 写入多个寄存器 | 起始地址（2字节）、寄存器数量（2字节）、字节计数（1字节）、寄存器值（2N字节） | 起始地址（2字节）、寄存器数量（2字节） | 16位有符号/无符号整数 |
相关问答FAQs：
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问：Modbus功能码03和04都可以读取寄存器，它们的主要区别是什么？
答：功能码03（读取保持寄存器）和功能码04（读取输入寄存器）的核心区别在于数据来源和访问权限，保持寄存器（功能码03）通常为可读写寄存器，用于存储用户配置的参数、设定值或中间计算结果，地址范围一般为40001-49999（十进制）；而输入寄存器（功能码04）为只读寄存器，通常来自从设备的模拟输入模块或内部传感器，用于采集实时数据（如温度、压力等），地址范围一般为30001-39999（十进制），两者的数据映射表在从设备中是独立的,不可混用。 -
问：当Modbus从设备返回异常码04（非法数据地址）时，可能的原因有哪些？
答：异常码04表示主设备请求的地址超出了从设备的有效范围，可能的原因包括：① 主设备发送的起始地址或寄存器/线圈数量超出从设备支持的地址范围（如从设备保持寄存器最大地址为41000，但主设备请求了41001的地址）；② 地址格式不匹配，如主设备使用十六进制地址而从设备期望十进制地址；③ 从设备的映射表未配置相关地址，例如请求读取未分配的模拟输入通道；④ 通信干扰导致地址字段在传输过程中发生错误，此时需检查主从设备的地址定义、参数配置及通信线路的稳定性。
