ModBus

引言

Discrete Output Coils, Discrete Input Contacts。文中翻译成“线圈”和“输入离散量”。我觉得Discrete翻译成“开关”好点，因为一般指的就是开关0or1这种离散值。所以上边两个翻译成
Discrete Output Coils：开关输出线圈
Discrete Input Contacts：开关输入触点

范围

MODBUS 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。

自从 1979 年出现工业串行链路的事实标准以来，MODBUS 使成千上万的自动化设备能够通信。目前，继续增加对简单而雅观的 MODBUS 结构支持。互联网组织能够使 TCP/IP 栈上的保留系统端口502 访问 MODBUS。

MODBUS 是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。MODBUS 功能码是 MODBUS 请求/应答 PDU 的元素。本文件的作用是描述 MODBUS 事务处理框架内使用的功能码。

规范性

• RFC791，互联网协议，Sep81 DARPA

• MODBUS 协议参考指南 Rev J,MODICON，1996 年 6 月，doc#PI_MBUS_300

MODBUS 是一项应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机/服务器通信。

目前，使用下列情况实现 MODBUS：

以太网上的 TCP/IP。

各种媒体（有线：EIA/TIA-232-E、EIA-422、EIA/TIA-485-A；光纤、无线等等）上的异步串行传输。

MODBUS PLUS，一种高速令牌传递网络。

缩略语

ADU 应用数据单 app data unit

HDLC 高级数据链路控制

HMI 人机界面

IETF 因特网工程工作组

I/O 输入/输出设备

IP 互连网协议

MAC 介质访问控制

MB MODBUS 协议

MBAP MODBUS 协议

PDU 协议数据单元 protocol data unit

PLC 可编程逻辑控制器

TCP 传输控制协议

背景概要

MODBUS 协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信。

每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用 MODBUS协议来启动远程操作。

在基于串行链路和以太 TCP/IP 网络的 MODBUS 上可以进行相同通信。

一些网关允许在几种使用 MODBUS 协议的总线或网络之间进行通信。

总体描述

协议描述

MODBUS 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的 MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。

启动 MODBUS 事务处理的客户机创建 MODBUS 应用数据单元。功能码向服务器指示将执行哪种操作。

MODBUS 协议建立了客户机启动的请求格式。

用一个字节编码 MODBUS 数据单元的功能码域。有效的码字范围是十进制 1-255（128-255 为异常响应保留）。当从客户机向服务器设备发送报文时，功能码域通知服务器执行哪种操作。

向一些功能码加入子功能码来定义多项操作。

从客户机向服务器设备发送的报文数据域包括附加信息，服务器使用这个信息执行功能码定义的操作。这个域还包括离散项目和寄存器地址、处理的项目数量以及域中的实际数据字节数。

在某种请求中，数据域可以是不存在的（0长度），在此情况下服务器不需要任何附加信息。功能码仅说明操作。

如果在一个正确接收的 MODBUS ADU 中，不出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么服务器至客户机的响应数据域包括请求数据。如果出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么域包括一个异常码，服务器应用能够使用这个域确定下一个执行的操作。

例如，客户机能够读一组离散量输出或输入的开/关状态，或者客户机能够读/写一组寄存器的数据内容。

当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）。对于一个正常响应来说，服务器仅对原始功能码响应。

对于异常响应，服务器返回一个与原始功能码等同的码，设置该原始功能码的最高有效位为逻辑1。

注释：需要管理超时，以便明确地等待可能不会出现的应答。

串行链路上第一个MODBUS 执行的长度约束限制了MODBUS PDU 大小（最大RS485ADU=256字节）。

因此，对串行链路通信来说，MODBUS PDU=256-服务器地址（1 字节）-CRC（2 字节）＝253字节。

从而：

RS232 / RS485 ADU = 253 字节+服务器地址(1字节) + CRC (2 字节) = 256 字节。

TCP MODBUS ADU = 249 字节+ MBAP (7 字节) = 256 字节。

MODBUS 协议定义了三种 PDU。它们是：

• MODBUS 请求 PDU，mb_req_pdu
• MODBUS 响应 PDU，mb_rsp_pdu
• MODBUS 异常响应 PDU，mb_excep_rsp_pdu
• 定义 mb_req_pdu 为：

mb_req_pdu = { function_code, request_data}，其中

function_code - [1 个字节] MODBUS 功能码

request_data - [n 个字节]，这个域与功能码有关，并且通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移量、子功能码等信息。

• 定义 mb_rsp_pdu 为：
  mb_rsp_pdu = { function_code, response_ data}，其中

function_code - [1 个字节] MODBUS 功能码

response_data - [n 个字节]，这个域与功能码有关，并且通常包括诸如可变参考、变量、数据偏移量、子功能码等信息。

• 定义 mb_excep_rsp_pdu 为：
  mb_excep_rsp_pdu = { function_code, request_data}，其中

function_code - [1 个字节] MODBUS 功能码 + 0x80

exception_code - [1 个字节]，在下表中定义了 MODBUS 异常码。

数据编码

MODBUS 使用一个‘big-Endian’ 表示地址和数据项。这意味着当发射多个字节时，首先发送最高有效位。例如：

寄存器大小 值

16 – 比特 0x1234 发送的第一字节为 0x12 然后 0x34

modbus 数据模型

MODBUS 以一系列具有不同特征表格上的数据模型为基础。四个基本表格为：

输入与输出之间以及比特寻址的和字寻址的数据项之间的区别并没有暗示任何应用操作。如果这是对可疑对象核心部分最自然的解释，那么这种区别是可完全接受的，而且很普通，以便认为四个表格全部覆盖了另外一个表格。

对于基本表格中任何一项，协议都允许单个地选择 65536 个数据项，而且设计那些项的读写操作可以越过多个连续数据项直到数据大小规格限制，这个数据大小规格限制与事务处理功能码有关。很显然，必须将通过 MODBUS 处理的所有数据放置在设备应用存储器中。但是，存储器的物理地址不应该与数据参考混淆。要求仅仅是数据参考与物理地址的链接。

MODBUS 功能码中使用的 MODBUS 逻辑参考数字是以 0 开始的无符号整数索引。

MODBUS 模型实现的实例

下例实例示出了两种在设备中构造数据的方法。可能有不同的结构，这个文件中没有全部描述出来。每个设备根据其应用都有它自己的数据结构。

实例 1：有 4 个独立块的设备

下例实例示出了设备中的数据结构，这个设备含有数字量和模拟量、输入量和输出量。由于不同块中的数据不相关，每个块是相互独立。按不同MODBUS 功能码访问每个块。

实例 2：仅有 1 个块的设备

在这个实例中，设备仅有 1 个数据块。通过几个 MODBUS 功能码可能得到一个相同数据，或者通过 16 比特访问或 1 个访问比特。

modbus事务处理的定义

一旦服务器处理请求，使用合适的 MODBUS 服务器事务建立 MODBUS 响应。

根据处理结果，可以建立两种类型响应：

• 一个正 MODBUS 响应：

响应功能码 = 请求功能码

• 一个 MODBUS 异常响应：

01、用来为客户机提供处理过程中与被发现的差错相关的信息；

02、响应功能码 = 请求功能码 + 0x80；

03、提供一个异常码来指示差错原因。

功能码分类

有三类 MODBUS 功能码。它们是：

• 公共功能码
• 是较好地被定义的功能码，
• 保证是唯一的，
• MODBUS 组织可改变的，
• 公开证明的，
• 具有可用的一致性测试，
• MB IETF RFC 中证明的，
• 包含已被定义的公共指配功能码和未来使用的未指配保留供功能码。
• 用户定义功能码
• 有两个用户定义功能码的定义范围，即 65 至 72 和十进制 100 至 110。
• 用户没有 MODBUS 组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码
• 不能保证被选功能码的使用是唯一的。
• 如果用户要重新设置功能作为一个公共功能码，那么用户必须启动 RFC，以便将改变引入公共分类中，并且指配一个新的公共功能码。
• 保留功能码
• 一些公司对传统产品通常使用的功能码，并且对公共使用是无效的功能码。
  

公共功能码定义

功能码描述

01 (0x01)读线圈

在一个远程设备中，使用该功能码读取线圈的 1 至 2000 连续状态。请求 PDU 详细说明了起始地址，即指定的第一个线圈地址和线圈编号。从零开始寻址线圈。因此寻址线圈 1-16 为 0-15。

根据数据域的每个比特将响应报文中的线圈分成为一个线圈。指示状态为 1= ON 和 0= OFF。第一个数据字节的 LSB（最低有效位）包括在询问中寻址的输出。其它线圈依次类推，一直到这个字节的高位端为止，并在后续字节中从低位到高位的顺序。

如果返回的输出数量不是八的倍数，将用零填充最后数据字节中的剩余比特（一直到字节的高位端）。字节数量域说明了数据的完整字节数。

将输出 27-20 的状态表示为十六进制字节值 CD，或二进制 1100 1101。输出 27 是这个字节的MSB，输出 20 是 LSB。

通常，将一个字节内的比特表示为 MSB 位于左侧，LSB 位于右侧。第一字节的输出从左至右27 至 20。下一个字节的输出从左到右为 35 至 28。当串行发射比特时，从 LSB 向 MSB 传输：20 . . .27、28 . . . 35 等等。

在最后的数据字节中，将输出状态 38-36 表示为十六进制字节值 05，或二进制 0000 0101。输出 38 是左侧第六个比特位置，输出 36 是这个字节的 LSB。用零填充五个剩余高位比特。

注：用零填充五个剩余比特（一直到高位端）。

02 (0x02)读离散量输入

在一个远程设备中，使用该功能码读取离散量输入的 1 至 2000 连续状态。请求 PDU 详细说明了起始地址，即指定的第一个输入地址和输入编号。从零开始寻址输入。因此寻址输入 1-16 为 0-15。

根据数据域的每个比特将响应报文中的离散量输入分成为一个输入。指示状态为 1= ON 和 0= OFF。第一个数据字节的 LSB（最低有效位）包括在询问中寻址的输入。其它输入依次类推，一直到这个字节的高位端为止，并在后续字节中从低位到高位的顺序。

如果返回的输入数量不是八的倍数，将用零填充最后数据字节中的剩余比特（一直到字节的高位端）。字节数量域说明了数据的完整字节数。

将离散量输入状态 204-197 表示为十六进制字节值 AC，或二进制 1010 1100。输入 204 是这个字节的 MSB，输入 197 是这个字节的 LSB。

将离散量输入状态 218-213 表示为十六进制字节值 35，或二进制 0011 0101。输入 218 位于左侧第3 比特，输入 213 是 LSB。

注：用零填充 2 个剩余比特（一直到高位端）。

03 (0x03)读保持寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码读取保持寄存器连续块的内容。请求 PDU 说明了起始寄存器地址和寄存器数量。从零开始寻址寄存器。因此，寻址寄存器 1-16 为 0-15。

将响应报文中的寄存器数据分成每个寄存器有两字节，在每个字节中直接地调整二进制内容。

对于每个寄存器，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。

将寄存器 108 的内容表示为两个十六进制字节值 02 2B，或十进制 555。将寄存器 109-110 的内容分别表示为十六进制 00 00 和 00 64，或十进制 0 和 100。

04(0x04)读输入寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码读取 1 至大约 125 的连续输入寄存器。请求 PDU 说明了起始地址和寄存器数量。从零开始寻址寄存器。因此，寻址输入寄存器 1-16 为 0-15。

将响应报文中的寄存器数据分成每个寄存器为两字节，在每个字节中直接地调整二进制内容。

对于每个寄存器，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。

将输入寄存器 09 的内容表示为两个十六进制字节值 00 0A，或十进制 10。

05 (0x05)写单个线圈

在一个远程设备上，使用该功能码写单个输出为 ON 或 OFF。

请求数据域中的常量说明请求的 ON/OFF 状态。十六进制值 FF 00 请求输出为 ON。十六进制值 00 00 请求输出为 OFF。其它所有值均是非法的，并且对输出不起作用。

请求 PDU 说明了强制的线圈地址。从零开始寻址线圈。因此，寻址线圈 1 为 0。线圈值域的常量说明请求的 ON/OFF 状态。十六进制值 0XFF00 请求线圈为 ON。十六进制值 0X0000 请求线圈为OFF。其它所有值均为非法的，并且对线圈不起作用。

正常响应是请求的应答，在写入线圈状态之后返回这个正常响应。

06 (0x06)写单个寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码写单个保持寄存器。

请求 PDU 说明了被写入寄存器的地址。从零开始寻址寄存器。因此，寻址寄存器 1 为 0。

正常响应是请求的应答，在写入寄存器内容之后返回这个正常响应。

15 (0x0F) 写多个线圈

在一个远程设备中，使用该功能码强制线圈序列中的每个线圈为 ON 或 OFF。请求 PDU 说明了强制的线圈参考。从零开始寻址线圈。因此，寻址线圈 1 为 0。

请求数据域的内容说明了被请求的 ON/OFF 状态。域比特位置中的逻辑“1”请求相应输出为ON。域比特位置中的逻辑“0”请求相应输出为 OFF。

正常响应返回功能码、起始地址和强制的线圈数量。

这是一个请求从线圈 20 开始写入 10 个线圈的实例：

请求的数据内容为两个字节：十六进制 CD 01 (二进制 1100 1101 0000 0001)。使用下列方法，二进制比特对应输出。

比特：1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1

输出：27 26 25 24 23 22 21 20 _ _ _ _ 29 28

传输的第一字节(十六进制 CD)寻址为输出 27-20，在这种设置中，最低有效比特寻址为最低输出（20）。

传输的下一字节(十六进制 01)寻址为输出 29-28，在这种设置中，最低有效比特寻址为最低输出（28）。

应该用零填充最后数据字节中的未使用比特。

16 (0x10) 写多个寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码写连续寄存器块(1 至约 120 个寄存器)。

在请求数据域中说明了请求写入的值。每个寄存器将数据分成两字节。

正常响应返回功能码、起始地址和被写入寄存器的数量。

20 (0x14) 读文件记录

使用该功能码进行文件记录读取。根据字节数量提供所有请求数据长度，并且根据寄存器提供所有记录长度。

文件是记录的结构。每个文件包括 10000 个记录，寻址这些记录为十进制 0000 至 9999 或十六进制 0X0000 至 0X270F，例如寻址记录 12 为 12。

该功能可以读取多个参考组。这些组可以是分散的(不连续的)，但每组中的参考必须是连续的。

用含有 7 个字节的独立“子请求”域定义每个组：

参考类型：1 个字节(必须规定为 6)

文件号：2 个字节

文件中的起始记录号：2 个字节

被读出的记录长度：2 个字节

被读取的寄存器数量不能超过 MODBUS 报文允许的长度：256 个字节，这个寄存器数量与预期响应中的所有其它域组合。

正常响应是一系列“子响应”，与“子请求”一一对应。字节数域是所有“子响应”中的全部组合字节数。另外，每个“子响应”都包括一个表示自身字节数的域。

这是一个请求从远程设备读取两个参考组的实例：

组1 包括文件 4 中的 2 个寄存器，以寄存器 1 开始（地址 0001）。

组2 包括文件 3 中的 2 个寄存器，以寄存器 9 开始（地址 0009）。

21 (0x15) 写文件记录

使用该功能码进行文件记录写入。根据字节数量提供所有请求数据长度，并且根据 16 比特字的数量提供所有记录长度。

文件是记录的结构。每个文件包括 10000 个记录，寻址这些记录为十进制 0000 至 9999 或十六进制 0X0000 至 0X270F，例如寻址记录 12 为 12。

该功能可以写多个参考组。这些组可以是分散的，即不连续的，但每组内的参考必须是连续的。

用含有 7 个字节和数据的独立“子请求”域定义每个组：

参考类型：1 个字节(必须规定为 6)

文件号：2 个字节

文件中的起始记录号：2 个字节

被写入的记录长度：2 个字节

被写入的数据：每个寄存器为 2 字节。

被写入的寄存器数量不能超过 MODBUS 报文允许的长度：256 个字节，这个寄存器数量与询问中的所有其它域组合。

正常响应是请求的应答。

这是一个请求将一个参考组写入远程设备的实例：

组包括文件4 中的3 个寄存器，以寄存器7 开始（地址0007）。

22 (0x16) 屏蔽写寄存器

该功能码用于通过利用 AND 屏蔽、OR 屏蔽以及寄存器内容的组合来修改特定保持寄存器的内容。使用这个功能设置或清除寄存器中的单个比特。

请求说明了被写入的保持寄存器、AND屏蔽使用的数据以及 OR 屏蔽使用的数据。

从0 开始寻址寄存器。因此，寻址寄存器 1-16为0-15。功能的算法为：

结果= (当前内容 AND And_Mask) OR (Or_Mask AND And_Mask)

例如：

注：如果Or_Mask 值为零，那么结果是当前内容和 And_Mask的简单逻辑 AND（与）。如果 And_Mask 值为零，结果等于 Or_Mask值。可以使用读保持寄存器功能（功能码03）读出寄存器的内容。于是，当控制器扫描它的用户逻辑程序时，随后可以改变寄存器的内容。

正常的响应是请求的应答。在已经写入寄存器之后，返回响应。

23 (0x17) 读/写多个寄存器

在一个单独 MODBUS 事务中，这个功能码实现了一个读操作和一个写操作的组合。从零开始寻址保持寄存器。因此，寻址保持寄存器 1-16为0-15。

请求说明了起始地址、被读取的保持寄存器号和起始地址、保持寄存器号以及被写入的数据。在写数据域中，字节数说明随后的字节号。

正常响应包括被读出的寄存器组的数据。在读数据域中，字节数域说明随后的字节数量。

这是一个请求从寄存器4开始读六个寄存器并且从寄存器15开始读三个寄存器的实例：

43 (0x2B)读设备识别码

这个功能码允许读取与远程设备的物理描述和功能描述相关的识别码和附加报文。

将读设备识别码接口模拟为一个地址空间，这个地址空间由一组可寻址数据元素组成。数据元素是被叫对象，并且对象Id确定这个数据元素。

接口由 3 种对象组成：

• 基本设备识别码。所有此种对象都是必备的：厂商名称、产品代码和修订本号。
• 正常设备识别码。除基本数据对象以外，设备提供了附加的和可选择的识别码以及数据对象描述。按标准定义所有种类的对象，但是这种对象的执行是可选的。
• 扩展设备识别码。除正常数据对象以外，设备提供了附加的和可选的识别码以及专用数据描述。所有这些数据都是与设备有关的。

请求参数描述：

指配号为14的MODBUS封装接口识别读识别码请求。定义四种访问类型：

01：请求获得基本设备识别码（流访问）

02：请求获得正常设备识别码（流访问）

03：请求获得扩展设备识别码（流访问）

04：请求获得特定识别码对象（专用访问）

在识别码数据不适合单独响应的情况下，可以需要几个请求/响应事务处理。对象id字节给出了获得的第一个对象识别码。对于第一个事物处理来说，客户机必须设置对象id为0，以便获得设备识别码数据的开始。对于下列事务来说，客户机必须设置对象id为前面响应中服务器的返回值。

如果对象id不符合任何已知对象，那么服务器象指向对象0那样响应（从头开始）。

在单个访问的情况下：ReadDevId代码04，请求中的对象id给出了获得的对象识别码。

如果对象id不符合任何已知对象，那么服务器返回一个异常码＝02（非法数据地址）的异常响应。

响应参数描述：

功能码： 功能码 43（十进制）0x2B (十六进制)

MEI 类型： 为设备识别码接口指配号的 14 (0x0E) MEI 类型

ReadDevId 码： 与请求 ReadDevId 码相同：01、02、03 或 04

一致性等级： 设备的识别码一致性等级和支持访问的类型

01：基本识别码(仅流访问)

02：正常识别码(仅流访问)

03：扩展识别码(仅流访问)

81：基本识别码(流访问和单个访问)

82：正常识别码(流访问和单个访问)

83：扩展识别码(流访问和单个访问)

随后更多： 在 ReadDevId 码 01、02或03(流访问)的情况下，

如果识别码数据不符合单个响应，那么需要几个请求/响应事务处理。

00：对象不再是可利用的

FF：其它识别码对象是可利用的，并且需要更多 MODBUS 事务处理

在 ReadDevId码04(单个访问)的情况下，

必须设置这个域为00。

下一个对象 Id： 如果“随后更多=FF”，那么请求下一个对象的识别码

如果“随后更多=00”，那么必须设置为00(无用的)对象号

在响应中返回的对象识别码号

(对于单个访问，对象号码= 1)

对象 0.id： PDU 中返回的第一个对象识别码(流访问)或请求对象的识别码（单个访问）

Object0.长度： 第一个对象的字节长度

Object0.值： 第一个对象的值(对象0.长度字节)

…

ObjectN.id： 最后对象的识别码(在响应中)

ObjectN.长度： 最后对象的字节长度

ObjectN.值： 最后对象的值(对象N.长度字节)

“基本设备识别码”的读设备识别码请求的实例：在这个实例中，一个响应PDU中发送所有的报文。

如果一个设备需要几个事务处理发送响应，那么启动下列事务处理。

MODBUS 异常响应

当客户机设备向服务器设备发送请求时，客户机希望一个正常响应。从主站询问中出现下列四种可能事件之一：

• 如果服务器设备接收到无通信错误的请求，并且可以正常地处理询问，那么服务器设备将返回一个正常响应。
• 如果由于通信错误，服务器没有接收到请求，那么不能返回响应。客户机程序将最终处理请求的超时状态。
• 如果服务器接收到请求，但是检测到一个通信错误（奇偶校验、LRC、CRC、...），那么不能返回响应。客户机程序将最终处理请求的超时状态。
• 如果服务器接收到无通信错误的请求，但不能处理这个请求（例如，如果请求读一个不存在的输出或寄存器），服务器将返回一个异常响应，通知用户错误的本质特性。
  异常响应报文有两个与正常响应不同的域：

功能码域：在正常响应中，服务器利用响应功能码域来应答最初请求的功能码。所有功能码的最高有效位（MSB）都为0（它们的值都低于十六进制 80）。在异常响应中，服务器设置功能码的MSB为1。这使得异常响应中的功能码值比正常响应中的功能码值高十六进制80。

通过设置功能码的MSB，客户机的应用程序能够识别异常响应，并且能够检测异常码的数据域。

数据域：在正常响应中，服务器可以返回数据域中数据或统计表（请求中要求的任何报文）。在异常响应中，服务器返回数据域中的异常码。这就定义了产生异常的服务器状态。

客户机请求和服务器异常响应的实例：

在这个实例中，客户机对服务器设备寻址请求。功能码(01)用于读输出状态操作。它将请求地址1245(十六进制04A1)的输出状态。值得注意的是，象输出域(0001)号码说明的那样，只读出一个输出。

如果在服务器设备中不存在输出地址，那么服务器将返回异常码(02)的异常响应。这就说明从站的非法数据地址。

异常码的列表：

参考文献