Modbus协议是OSI模型的第七层的应用层通讯协议，定义了不同类型设备间交换信息方式，以及信息的格式。

Modbus的工作方式是请求/应答，每次通讯都是主站先发送指令，可以是广播，或是向特定从站的单播，从站响应指令，并按要求应答，或者报告异常。当主站不发送请求时，从站不会自己发出数据，从站和从站之间不能直接通讯。

Modbus协议的报文（或帧）的基本格式是：

表头 + 功能码 + 数据区 + 校验码

功能码和数据区在不同类型的网络都是固定不变的，表头和校验码则因网络底层的实现方式不同而有所区别。表头包含了从站的地址，功能码告诉从站要执行何种功能，数据区是具体的信息。

先以串行通讯的Modbus为例（注意Modbus TCP的报文表头和校验码是不一样的），主站发送了：

09 03 00 04 00 03 XX

主站告诉从站09，我要读取的地址偏移为4、5、6的Holding Register的数值。其中"03"是读Holding Register的功能码，"00 04 00 01"是数据区，"00 04"是寄存器的地址，"00 03"说明要连续读三个寄存器的值。"XX"代表最后的校验位，校验方法是LRC或CRC。

从站收到信息后，就从对应的寄存器找到数值，回复：

09 03 06 02 2B 00 01 00 64 XX

从站回答，该地址偏移为4的寄存器值为02 2B，地址偏移为5的寄存器值为00 01，地址偏移为6的寄存器值为00 64。其中"09 03"是复制了主站发来的地址和功能码，"06"代表接下来的数据共有6个字节。

如果从站收到了一个错误的请求，例如发现要读的寄存器地址是错误的，则回复：

09 83 02 XX

其中"83"是把功能码"03"的最高位置1，告诉主站发生了异常，"02"是异常码，说明发生了无效地址的异常。

Coil：大小只有1位，ON或OFF，可读可写，既可以是一个输出量输出点，也可以是数字量输入点，有效的地址范围是1-9999。

Input Status：大小只有1位，ON或OFF，只读，即数字量输出点，有效地址范围是10001-19999。

Input Register：16位的寄存器，只读，可以用作模拟量或16位打包输入点，有效地址范围是30001-39999。

Holding Register：16位的寄存器，可读可写，既可以是一个模拟量或16位打包输入点，也可以是模拟量或16位打包输出点，有效地址范围是40001-49999。

在PLC或DCS上用点名标记不同的变量，在Modbus则以数据地址来标记每个点。以上所说的地址都是参考地址，而不是实际的物理地址。上述的地址是在设备中的地址，按照PLC的习惯从1开始递增，而Modbus报文中是从0开始递增。例如地址偏移为4、5、6的Holding Register，其实是指参考地址是40005、40006、40007的寄存器。

对于不同类型的网络，Modbus的第7层实现是一样的，区别在于下层的实现方式，常见的有TCP/IP和串行通讯两种。

Modbus TCP基于以太网和TCP/IP协议，Modbus RTU和Modbus ASCII则是使用异步串行传输（通常是RS-232/422/485）。

对于Modbus TCP而言，主站通常称为Client，从站称为Server；而对于Modbus RTU和Modbus ASCII来说，主站是Master，从站是Slave。

如图2所示，串行传输的物理层是RS-485或RS-232，数据链路层是Modbus的串行传输协议；Modbus TCP的1、2、3、4层实现和日常所见的以太网、因特网一样。Modbus默认采用的TCP端口号是502。

图3说明了Modbus TCP的改动：

1.取消了校验位。数据链路层上就进行了CRC-32的校验，TCP/IP是面向连接的可靠性的协议，因此没必要再加上校验位。

2.Slave地址换成了Unit Identifier。当网络里的设备全是使用TCP/IP，这个地址是没有意义的，因为IP就能进行路由寻址。如果网络里还有串行通讯的设备，则需要网关来实现Modbus TCP到Modbus RTU或ASCII之间的协议转换，这时用Unit Identifier来标识网关后面的每个串行通讯设备。

3.Length是指后面的字节总数。实际上数据区的长度是能确定的，有的功能码就可以确定数据区的长度，有的功能码虽不能确定数据区长度，但是数据区有字节计数，参见上文举的从站应答的例子。表头增加的Length是为了应对有些情况下TCP/IP协议会将应用层的数据拆包传输。

4.Transaction Identifier和Protocol Identifier由Client生成，Server的响应将复制这些参数。

RTU模式下，一个字节的数据，传输的就是一个字节。ASCII模式下，同样一个字节数据用了两个字节来传输。

例如，要传输数字0x5B，RTU传输的是0101 1011（二进制），而ASCII传输的是00110101和01000010。可见，ASCII传输的速率是RTU的一半。

ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。

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