modbus.md · CB/small_modbus

# modbus.org的协议规范

**modbus协议规范: https://modbus.org/specs.php**

**原文翻译：**

MODBUS 是一种应用层消息协议，位于 OSI 模型的第 7 层。它在不同类型的总线或网络上连接的设备之间提供客户端/服务器通信。

作为事实上的工业串行标准，自 1979 年以来，MODBUS 继续支持数百万自动化设备进行通信。今天，对 MODBUS 简单而优雅的结构的支持继续增长。Internet 社区可以在 TCP/IP 堆栈上保留的系统端口 502 上访问 MODBUS。

MODBUS 是一种请求/应答协议，提供由功能代码指定的服务。MODBUS 功能代码是 MODBUS 请求/回复 PDU 的元素。该协议规范文档描述了在 MODBUS 事务框架内使用的功能代码。

[**MODBUS 协议规范**](https://modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b3.pdf)

本文档为 Modbus 应用协议 V1.1b3。它描述了在 MODBUS 事务框架内使用的功能代码。

[**MODBUS 安全协议**](https://modbus.org/docs/MB-TCP-Security-v21_2018-07-24.pdf)

Modbus 安全协议通过将传输层安全 (TLS) 与传统 Modbus 协议相结合来提供保护。TLS 封装 Modbus 数据包以提供身份验证和消息完整性保护。新协议还利用 X.509v3 数字证书对服务器和客户端进行身份验证。新的 Modbus 安全协议使用端口 802。

[**仅适用于传统应用的串行线路上的 MODBUS**](https://modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf)

这是 1996 年过时的 Modbus 规范。仅用于解决遗留问题。请不要将它用于新的实现。

[**Modbus 串行线路协议和实施指南 V1.02**](https://modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf)请将此用于新的 MODBUS 实施。

# modbus rtu tcp ascii 的区别

ModBus协议是应用层报文传输协议（OSI模型第7层），它定义了一个与通信层无关的

协议数据单元（PDU），即  **PDU=功能码+数据域**。

ModBus协议能够应用在不同类型的总线或网络。

对应不同的总线或网络，Modbus协议引入一些附加域映射成

应用数据单元（ADU），即   **ADU=附加域+PDU**。

| modbus应用层      | modbus rtu             | modbus tcp                  | modbus ascii           |
| ----------------- | ---------------------- | --------------------------- | ---------------------- |
| modbus协议栈      | master主机 slave从机   | master主机 slave从机        | master主机 slave从机   |
| 协议数据单元(PDU) | 功能码+数据域          | 功能码+数据域               | 功能码+数据域          |
| 应用数据单元(ADU) | 地址码+PDU+CRC校验码   | MBAP+PDU                    | 地址码+PDU+CRC校验码   |
|                   |                        |                             |                        |
| 表示层            | 无                     | tcp/ip                      | 无                     |
| 会话层            | 无                     | tcp/ip                      | 无                     |
| 传输层            | 无                     | tcp/ip                      | 无                     |
| 网络层            | 无                     | 三层交换机/路由器/tcp/ip    | 无                     |
| 数据链路层        | modbus 串行协议 (串口) | 二层交换机/以太网/WLAN/网卡 | modbus 串行协议 (串口) |
| 物理链路层        | RS232/RS485/RS422      | 中继器/集线器/双绞线        | RS232/RS485/RS422      |
|                   |                        |                             |                        |

modbus rtu 的 **地址码**:

| 0        | 1 - 247            | 248-255  |
| -------- | ------------------ | -------- |
| 广播地址 | 从机地址可用的地址 | 保留地址 |
|          |                    |          |

modbus rtu 的 **CRC校验码**: 使用crc16 rtu算法

| 名称             | 长度    | 描述           |
| ---------------- | ------- | -------------- |
| CRC16  LOW BYTE  | 1 Bytes | CRC16低8位字节 |
| CRC16  HIGH BYTE | 1 Bytes | CRC16高8位字节 |
|                  |         |                |

modbus tcp 的 **MBAP**:  modbus应用协议头（MODBUS Application Protocol header  ），下表表示具体格式

| 名称                   | 长度    | 描述            | Client（master）主机   | Server（slave）从机 |
| ---------------------- | ------- | --------------- | ---------------------- | ------------------- |
| Transaction Identifier | 2 Bytes | 请求的ID        | 初始化为0，每次请求加1 | 保持跟主机请求一致  |
| Protocol Identifier    | 2 Bytes | 0表示modbus协议 | 初始化为0              | 保持跟主机请求一致  |
| Length                 | 2 Bytes | 表示PDU部分长度 |                        | 保持跟主机请求一致  |
| Unit Identifier        | 1 Byte  |                 |                        | 保持跟主机请求一致  |
|                        |         |                 |                        |                     |

# modbus 线圈和寄存器

**线圈寄存器区别：**

|                  | 保持线圈      | 输入线圈     | 保持寄存器        | 输入寄存器      |
| ---------------- | ------------- | ------------ | ----------------- | --------------- |
|                  | HOLDING_COILS | INPUTS_COILS | HOLDING_REGISTERS | INPUT_REGISTERS |
| 可表示值范围     | 开关量 0/1    | 开关量 0/1   | 模拟量 0-65535    | 模拟量 0-65535  |
| 读取功能码       | 0x01          | 0x02         | 0x03              | 0x04            |
| 写功能码         | 0x05 / 0x0F   | 只读，不可写 | 0x06 / 0x10       | 只读，不可写    |
| 单次可读最大数量 | 2000          | 2000         | 125               | 125             |
| 单次可写最大数量 | 1 / 1968      | 0            | 1 / 123           | 0               |
|                  |               |              |                   |                 |

**保持线圈:**

一个单位只有1bit,只有1,0两个状态，可读可写.一般用来表示可控制的数字量，比如继电器，灯，电源开关等等。

**输入线圈:**

一个单位只有1bit,只有1,0两个状态，只能读.一般用来表示输入的数字量，开关，数字量传感器等等。

**保持寄存器:**

一个单位只有16bit,可以表示0-65535,可读可写. 一般用来表示可控制的模拟量，DAC模拟量输出设备 等等。

**输入寄存器:**

一个单位只有16bit,可以表示0-65535,只能读. 一般用来表示输入的模拟量，ADC采集值，模拟量传感器的ADC值等等。

可多个单位的寄存器组合成一个值。比如：

2个寄存器组合起来数据宽度是32bit可以表示一个int型的值，也可以表示一个单精度浮点型float的值。

4个寄存器组合起来数据宽度是64bit可以表示一个双精度浮点型double的值。

# modbus 读写流程

**常用功能码：**

| 功能码 | 名称                                      | 可操作最大数量 |
| ------ | ----------------------------------------- | -------------- |
| 0x01   | 读保持线圈 READ_HOLDING_COILS             | 2000           |
| 0x02   | 读输入线圈 READ_INPUTS_COILS              | 2000           |
| 0x03   | 读保持寄存器 READ_HOLDING_REGISTERS       | 125            |
| 0x04   | 读输入寄存器 READ_INPUT_REGISTERS         | 125            |
| 0x05   | 写单个保持线圈 WRITE_SINGLE_COIL          | 1              |
| 0x06   | 写单个保持寄存器 WRITE_SINGLE_REGISTER    | 1              |
| 0x0F   | 写多个保持线圈 WRITE_MULTIPLE_COILS       | 1968           |
| 0x10   | 写多个保持寄存器 WRITE_MULTIPLE_REGISTERS | 123            |

### master请求  读线圈 0x01 0x02

| 名称     | 长度    | 描述         |
| -------- | ------- | ------------ |
| 功能码   | 1 Bytes | 0x01 或 0x02 |
| 线圈地址 | 2 Bytes | 高字节在前   |
| 线圈个数 | 2 Bytes | 高字节在前   |

### slave应答  读线圈 0x01 0x02

| 名称     | 长度    | 描述                                                  |
| -------- | ------- | ----------------------------------------------------- |
| 功能码   | 1 Bytes | 0x01 或 0x02                                          |
| 数据长度 | 1 Bytes | 数据值等于 =  (线圈个数/ 8) + ((线圈个数% 8) ? 1 : 0) |
| 线圈数据 | n Bytes | 1个字节表示8个线圈状态                                |

###

### master请求  读寄存器 0x03 0x04

| 名称       | 长度    | 描述         |
| ---------- | ------- | ------------ |
| 功能码     | 1 Bytes | 0x03 或 0x04 |
| 寄存器地址 | 2 Bytes | 高字节在前   |
| 寄存器个数 | 2 Bytes | 高字节在前   |

### slave应答  读寄存器 0x03 0x04

| 名称       | 长度    | 描述                                 |
| ---------- | ------- | ------------------------------------ |
| 功能码     | 1 Bytes | 0x03 或 0x04                         |
| 数据长度   | 1 Bytes | 数据值等于 =  (寄存器个数×2)         |
| 寄存器数据 | n Bytes | 高字节在前，2个字节表示1个寄存器状态 |

###

### master请求  写单个线圈 0x05

| 名称     | 长度    | 描述                   |
| -------- | ------- | ---------------------- |
| 功能码   | 1 Bytes | 0x05                   |
| 线圈地址 | 2 Bytes | 高字节在前             |
| 线圈状态 | 2 Bytes | 0x0000表示0，其他表示1 |

### slave应答  写单个线圈 0x05

| 名称     | 长度    | 描述                       |
| -------- | ------- | -------------------------- |
| 功能码   | 1 Bytes | 0x05                       |
| 线圈地址 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |
| 线圈状态 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |

###

### master请求  写多个线圈 0x0F

| 名称     | 长度    | 描述                                                  |
| -------- | ------- | ----------------------------------------------------- |
| 功能码   | 1 Bytes | 0x0F                                                  |
| 线圈地址 | 2 Bytes | 高字节在前                                            |
| 线圈个数 | 2 Bytes | 高字节在前                                            |
| 数据长度 | 1 Bytes | 数据值等于 =  (线圈个数/ 8) + ((线圈个数% 8) ? 1 : 0) |
| 线圈数据 | n Bytes | 1个字节表示8个线圈状态                                |

### slave应答  写多个线圈 0x0F

| 名称     | 长度    | 描述                       |
| -------- | ------- | -------------------------- |
| 功能码   | 1 Bytes | 0x0F                       |
| 线圈地址 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |
| 线圈个数 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |

###

### master请求  写单个寄存器 0x06

| 名称       | 长度    | 描述       |
| ---------- | ------- | ---------- |
| 功能码     | 1 Bytes | 0x06       |
| 寄存器地址 | 2 Bytes | 高字节在前 |
| 寄存器状态 | 2 Bytes | 高字节在前 |

### slave应答  写单个寄存器 0x06

| 名称       | 长度    | 描述                       |
| ---------- | ------- | -------------------------- |
| 功能码     | 1 Bytes | 0x06                       |
| 寄存器地址 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |
| 寄存器状态 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |

###

### master请求  写多个寄存器 0x10

| 名称       | 长度    | 描述                                 |
| ---------- | ------- | ------------------------------------ |
| 功能码     | 1 Bytes | 0x10                                 |
| 寄存器地址 | 2 Bytes | 高字节在前                           |
| 寄存器个数 | 2 Bytes | 高字节在前                           |
| 数据长度   | 1 Bytes | 数据值等于 =  (寄存器个数X2)         |
| 寄存器数据 | n Bytes | 高字节在前，2个字节表示1个寄存器状态 |

### slave应答  写多个线圈 0x0F

| 名称       | 长度    | 描述                       |
| ---------- | ------- | -------------------------- |
| 功能码     | 1 Bytes | 0x10                       |
| 寄存器地址 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |
| 寄存器个数 | 2 Bytes | 高字节在前，跟请求保持一致 |

###

### modbus rtu格式样例

| 从站地址 | 功能码 | 数据区               | CRC校验   |
| -------- | ------ | -------------------- | --------- |
| 1byte    | 1byte  | 0-252byte            | 2byte     |
| 0x01     | 0x01   | 0x00 0x00  0x00 0x01 | 0xFD 0xCA |
| 0x01     | 0x01   | 0x01 0x00            | 0x51 0x88 |
| 0x01     | 0x03   | 0x00 0x00  0x00 0x01 | 0x84 0x0A |
| 0x01     | 0x03   | 0x02 0x00  0x00      | 0xB8 0x44 |

### modbus tcp格式样例

| 报文头                              | 功能码 | 数据区              |
| ----------------------------------- | ------ | ------------------- |
| 7byte                               | 1byte  | 0-252byte           |
| 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x06  0x01 | 0x01   | 0x00 0x00 0x00 0x01 |
| 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x04 0x01  | 0x01   | 0x01 0x00           |
| 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00 0x06 0x01  | 0x02   | 0x00 0x00 0x00 0x01 |
| 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00 0x04 0x01  | 0x02   | 0x01 0x00           |
| 0x00 0x03 0x00 0x00 0x00 0x06 0x01  | 0x03   | 0x00 0x00 0x00 0x01 |
| 0x00 0x03 0x00 0x00 0x00 0x05 0x01  | 0x03   | 0x02 0x00 0x00      |

### modbus ascii格式样例

| 报文头  | 从站地址      | 功能码        | 数据区    | LRC校验 | 报文尾          |
| ------- | ------------- | ------------- | --------- | ------- | --------------- |
| 1byte   | 2byte         | 2byte         | 0-252byte | 2byte   | 2byte           |
| :(0x3A) | 01(0x30,0x31) | 01(0x30,0x31) | ...       |         | \n\r(0x0D,0x0A) |

# CRC16 A001 算法

```c
uint16_t modbus_crc16(uint8_t *buffer, uint16_t buffer_length)
{
	uint16_t CRC= 0XFFFF;
	uint16_t CRC_count = 0;
	uint16_t i = 0;
	for(CRC_count=0;CRC_count< buffer_length ; CRC_count++)
	{
		CRC= CRC^ *(buffer+CRC_count);
		for(i=0;i<8;i++)
		{
			if(CRC&1)
			{
				CRC>>=1;
				CRC^=0xA001;
			}
			else
			{
				CRC>>=1;
			}
		}
	}
	return CRC;
}
```

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