一、协议概述

Modbus 是一种串行通信协议，于 1979 年为可编程逻辑控制器（PLC）应用而推出，现已成为工业领域的业界标准通信协议，是工业电子设备间常用的连接方式。其广泛应用的核心优势包括：

1. 协议公开发表，无版税使用要求，降低应用门槛；

2. 工业网络部署相对简便，适配多种工业场景；

3. 对供应商而言，修改原生位元或字节的限制较少，灵活性高。

Modbus RTU 作为 Modbus 协议的重要分支，采用二进制传输模式，通信过程中通过 RS-232、RS-485 等串行接口实现数据交互，支持主机与多个从机之间的通信架构，广泛应用于工业自动化控制系统中设备间的数据传输。

注：本说明中带前缀 0x 或后缀 H 的数据均为十六进制。

二、功能码简述

（一）功能码分类与核心信息

Modbus RTU 常用功能码分为位操作和字操作两类，位操作最小单位为 BIT，字操作最小单位为两个字节。各类功能码的核心信息如下表所示：

（二）功能码分类说明

1. 位操作指令：包括读线圈状态 01H、读离散输入状态 02H、写单个线圈 05H、写多个线圈 0FH，主要用于处理开关量类型的数据（如设备启停状态、传感器触发信号等）。

2. 字操作指令：包括读保持寄存器 03H、写单个保持寄存器 06H、写多个保持寄存器 10H，主要用于处理模拟量或数值型数据（如传感器测量值、设备运行参数等）。

三、寄存器相关说明

（一）寄存器地址分配

寄存器的 PLC 地址、协议地址、对应功能码及操作属性如下表所示：

（二）寄存器种类说明

不同类型寄存器的功能、PLC 类比及应用场景如下表所示：

（三）PLC 地址和协议地址区别

1. 寄存器 PLC 地址：指存放于控制器（PLC、触摸屏、文本显示器等）中的地址，采用 10 进制 5 位描述，第一位数字标识寄存器类型。例如 40001、30002 等，在触摸屏和 PLC 编程中应用广泛。

2. 寄存器协议地址：通信时使用的寄存器地址，采用 16 进制描述。映射关系如下：

• PLC      地址 40001 对应协议地址 0000H，40002 对应 0001H，40003 对应 0002H；

• PLC      地址 30003 对应协议地址 0002H。

需注意，不同类型寄存器可能对应相同的协议地址，但需通过不同功能码访问，因此不会产生通信冲突。

四、指令详细说明

（一）读线圈寄存器 01H

1. 功能描述：读取线圈寄存器当前的开关状态（ON/OFF）。

2. 查询格式（主机发送）：

以从机地址 01H、线圈起始地址 0013H、结束地址 0037H（共 37 个线圈）为例，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

响应数据中，每位对应一个线圈状态，1 代表 ON，0 代表 OFF；若线圈数非 8 的倍数，最后一个字节剩余位用 0 填充。示例返回数据如下表：

4.       数据解析示例：

• 数据 1（CDH）二进制为 11001101，对应线圈 001AH-0013H，状态依次为 ON-ON-OFF-OFF-ON-ON-OFF-ON（最高位对应高地址线圈，最低位对应低地址线圈）；

• 数据 5（1BH）二进制为 00011011，对应线圈 0037H-0033H，状态依次为 ON-ON-OFF-ON-ON，剩余 3 位填充 0。

（二）读离散输入寄存器 02H

1. 功能描述：读取离散输入寄存器的开关状态（ON/OFF），该类寄存器状态由外部设备触发，仅支持读取。

2. 查询格式（主机发送）：

以从机地址 01H、离散输入起始地址 00C4H、结束地址 00D9H（共 22 个输入）为例，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

响应数据中，第一位数据字节的最低位对应查询起始地址寄存器状态，按地址递增顺序从低位到高位排列；非 8 的倍数时，最后字节剩余位填充 0。示例返回数据如下表：

4.       数据解析示例：

• 数据 3（35H）二进制为 00110101，对应离散输入 00D9H-00D4H，状态依次为 ON-ON-OFF-ON-OFF-ON，00DBH、00DAH 填充 0。

（三）读保持寄存器 03H

1. 功能描述：读取保持寄存器中的数值型数据，该类寄存器支持读写操作，常用于存储设备运行参数。

2. 查询格式（主机发送）：

以从机地址 01H、保持寄存器起始地址 006BH、结束地址 006DH（共 3 个寄存器）为例，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

每个保持寄存器占 2 字节，传输时高字节在前、低字节在后；寄存器间按地址递增顺序传输。示例返回数据如下表：

4.       数据解析：

寄存器 006BH 数值为 006BH（十进制 107），006CH 为 0013H（十进制 19），006DH 为 0000H（十进制 0）。

（四）读输入寄存器 04H

1. 功能描述：读取输入寄存器中的模拟量或测量数据，该类寄存器仅支持读取，数据由外部传感器等设备提供。

2. 查询格式（主机发送）：

以从机地址 01H、输入寄存器起始地址 0008H、结束地址 0009H（共 2 个寄存器）为例，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

每个输入寄存器占 2 字节，传输规则与保持寄存器一致（高字节在前、低字节在后，地址递增顺序传输）。示例返回数据如下表：

4.       数据解析：

寄存器 0008H 数值为 000AH（十进制 10），0009H 为 000BH（十进制 11）。

（五）写单个线圈寄存器 05H

1. 功能描述：设置单个线圈的开关状态，FF00H 对应 ON 状态，0000H 对应 OFF 状态。

2. 请求格式（主机发送）：

以从机地址 01H、线圈地址 00ACH、设置为 ON 状态（数据 FF00H）为例，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

从机返回与主机请求一致的数据，表明设置成功。返回数据如下表：

（六）写单个保持寄存器 06H

1. 功能描述：设置单个保持寄存器的数值，仅支持单个寄存器操作。

2. 请求格式（主机发送）：

以从机地址 01H、保持寄存器地址 0000H、设置数值 0001H 为例，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

从机返回与主机请求一致的数据，表明设置成功。返回数据如下表：

（七）写多个线圈寄存器 0FH

1. 功能描述：批量设置多个线圈的开关状态，数据区每位对应一个线圈（1=ON，0=OFF）。

2. 请求格式（主机发送）：

以从机地址 01H、线圈起始地址 0013H、结束地址 001CH（共 10 个线圈）为例，发送数据如下表：

3.       数据说明：

• 数据 1（CDH）对应线圈 0013H-001AH，最低位对应 0013H；

• 数据 2（01H）对应线圈 001BH-001CH，最低位对应 001BH，剩余位填充 0。

4.     响应格式（从机返回）：

从机返回从机地址、功能码、起始地址及线圈数量，表明设置成功。返回数据如下表：

（八）写多个保持寄存器 10H

1. 功能描述：批量设置多个保持寄存器的数值，支持多个寄存器同时操作。

2. 请求格式（主机发送）：

以从机地址 01H、保持寄存器起始地址 0001H、结束地址 0002H（共 2 个寄存器）为例，0001H 设置为 000AH，0002H 设置为 0102H，发送数据如下表：

3.       响应格式（从机返回）：

从机返回从机地址、功能码、起始地址及寄存器数量，表明设置成功。返回数据如下表：

五、CRC 计算

（一）CRC 校验原理

Modbus RTU 协议采用 16 位循环冗余校验码（CRC），由发送设备计算后附加在信息帧尾部，传输时低字节在前、高字节在后。接收设备对接收到的数据重新计算 CRC，若与接收到的 CRC 码不一致，则判定数据传输出错。