简介

Modbus 是由美国MODICON公司于1979年开发,是一种工业现场总线协议标准。1997年施耐德公司推出给予以太网TCP/IP的modbus协议————ModbusTCP.

ModubsTCP数据帧

ModbusTCP的数据帧可以分为两部分：MBAP + PDU.
(Modbus Application Protocol——报文头)
(Protocol Data Unit——协议数据单元)

特别说明：在ModbusTCP中，由从站作服务端，主站作客户端，保证主动权在主站手中

报文头MBAP

MBAP为报文头，长度为7字节，组成如下：

事物处理标识：可以理解为报文的序列号，一般每次通信之后就要加1以区别不同的通信数据报文。
协议标识符 ：00 00 表示ModbusTCP协议。
长度：表示接下来的数据长度，单位为字节。
单元标识符：可以理解为设备地址。
其中以上四项中，对长度做额外举例如下:
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
上面是一条读取保持寄存器的指令，划横线部份是MBAP。红色字体为长度数据，表示从当前之后的数据总长度。
（注:并不是指PDU的数据长度）

帧结构PDU

PUD由 功能码 + 数据组成。功能码为1字节，数据长度不定，由具体功能决定。

功能码

modbus的操作对象有四种：线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器。

线圈：PLC的输出位，开关量，在modbus中可读可写。（可以理解为可读可惜的bit）
离散量：PCL的输入为，开关量，在modbus中只读。（可以理解为只读的bit）
输入寄存器：PLC中只能从模拟量输入端改变的寄存器，在modbus中只读。（可以理解为只读寄存器，一个寄存器占用2个字节）
保持寄存器：PLC中用于输出模拟量信号的寄存器，在modbus中可读可写。（可以理解为可读写寄存器，一个寄存器占用2个字节）

根据操作对象/操作内容不同，modbus功能码分为以下几种：

0x01：读线圈
0x05：写单个线圈
0x0F：写多个线圈
0x02：读离散量
0x04：读输入寄存器
0x03：读保持寄存器
0x06：写单个保持寄存器
0x10：写多个保持寄存器

PDU详细结构

（根据不同功能码，PDU的结构有所变化）
0x01：读线圈
在从站中读取1~8个连续线圈状态，其中ON=1，OFF=0

请求数据：MBAP + 功能码 + 起始地址H(高8位) + 起始地址L(低8位) + 数量H(高8位) + 数量L(低8位)
如：在从站0x01中，读取开始地址为0x0001的线圈数据，读0x0008位
00 01 00 00 00 06 01 01 00 01 00 08

(事务处理标识) （协议标识）（长度）（设备标识）（功能码）（起始地址）（读取数量）
响应数据：MBAP + 功能码 + 数据长度 + 数据
如：数据长度为0x01字节（8位），数据值为0x03,第一个和第二个线圈为ON，其余为OFF
00 01 00 00 00 04 01 01 03

(事务处理标识) （协议标识）（长度）（设备标识）（数据长度）（数据值）

0x05：写单个线圈
将从站中的一个输出写成ON或OFF，0xFF00表示将目标位写为ON,0x0000表示将目标位写为OFF

请求数据：MBAP + 功能码 + 目标地址H(高8位) + 目标地址L(低8位) + 数据值H(高8位) + 数据值L(低8位)
如：在从站0x01中，将地址为0x0001的线圈数据设置为ON
00 01 00 00 00 06 01 05 00 01 FF 00
响应数据：MBAP + 功能码 + 目标地址H(高8位) + 目标地址L(低8位) + 数据值H(高8位) + 数据值L(低8位)
如：写入成功
00 01 00 00 00 06 01 05 00 01 FF 00

0x0F：写多个线圈
将一个从站中的一个线圈序列的每个线圈都强制为ON或OFF，数据域中置1的位请求相应输出位ON，置0的位请求响应输出为OFF

请求数据：MBAP + 功能码 + 起始地址H(高8位) + 起始地址L(低8位) + 写数量H(高8位) + 写数量L(低8位) + 输出值H(高8位) + 输出值L(低8位)
如：在从站0x01中，将地址为0x0001~0X008的线圈数据设置为ON
00 01 00 00 00 08 01 0F 00 01 00 08 00 FF
响应数据：MBAP + 功能码 + 起始地址H(高8位) + 起始地址L(低8位) + 写数量H(高8位) + 写数量L(低8位)
如：写入成功
00 01 00 00 00 06 01 0F 00 01 00 08

0x02：读离散量输入
从一个从站中读1~15个连续的离散量输入状态

请求数据：MBAP + 功能码 + 起始地址H(高8位) + 起始地址L(低8位) + 读数量H(高8位) + 读数量L(低8位)
如：从地址0x0001开始读15个离散量输入
00 01 00 00 00 06 01 02 00 01 00 0F
响应数据：MBAP + 功能码 + 数据长度 + 数据
如：读取成功，数据长度为0x02, 数据为0x05 0x01 ，表示第1个、第9个、第11个离散量的值为ON，其余为OFF
00 01 00 00 00 05 01 02 02 05 01

0x04：读输入寄存器
从一个远程设备中读1~5个连续输入寄存器

请求数据：MBAP + 功能码 + 起始地址H(高8位) + 起始地址L(低8位) + 寄存器数量H(高8位) + 寄存器数量L(低8位)
如：从地址0x0001开始读5个输入寄存器
00 01 00 00 00 06 01 04 00 01 00 05
响应数据：MBAP + 功能码 + 数据长度 + 寄存器数据
如：读取成功，数据长度为0x0A, 第1个数据为0x00A0, 第2个数据为0xFF00 第3个数据为0x4C4C 第4个数据为0x0000 第5个数据为0xAAAA
00 01 00 00 00 0D 01 04 0A 00 A0 FF 00 4C 4C 00 00 AA AA

0x03：读保持寄存器
从一个远程设备中读1~3个连续保持寄存器

请求数据：MBAP + 功能码 + 起始地址H(高8位) + 起始地址L(低8位) + 寄存器数量H(高8位) + 寄存器数量L(低8位)
如：从地址0x0001开始读5个输入寄存器
00 01 00 00 00 06 01 03 00 01 00 03
响应数据：MBAP + 功能码 + 数据长度 + 寄存器数据
如：读取成功，数据长度为0x06, 第1个数据为0x00A0, 第2个数据为0x0000 第3个数据为0xAAAA
00 01 00 00 00 09 01 03 06 00 A0 00 00 AA AA

0x06：写单个保持寄存器
在一个远程设备中写1个保持寄存器

请求数据：MBAP + 功能码 + 寄存器地址H(高8位) + 寄存器地址L(低8位) + 寄存器值H(高8位) + 寄存器值L(低8位)
如：在地址0x0001写入0x00FF
00 01 00 00 00 06 01 06 00 01 00 FF
响应数据：MBAP + 功能码 + 寄存器地址H(高8位) + 寄存器地址L(低8位) + 寄存器值H(高8位) + 寄存器值L(低8位)
如：写入成功
00 01 00 00 00 06 01 06 00 01 00 FF

0x10：写多个保持寄存器
在一个远程设备中写连续3个保持寄存器

请求数据：MBAP + 功能码 + 寄存器起始地址H(高8位) + 寄存器起始地址H(低8位) + 寄存器数量H(高8位) + 寄存器数量L(低8位) + 字节长度 + 寄存器值
如：从地址0x0001开始写入3个保持寄存器值，0x00FF，0xFF00, 0xF0F0
00 01 00 00 00 0D 01 10 00 01 00 03 06 00 FF FF 00 F0 F0
响应数据：MBAP + 功能码 + 寄存器起始地址H(高8位) + 寄存器起始地址H(低8位) + 寄存器数量H(高8位) + 寄存器数量L(低8位)
如：写入成功
00 01 00 00 00 06 01 10 00 01 00 03

ModbusTCP通信

通信方式

modbus设备可分为主站（poll）和从站（slave）。主站只有一个，从站有多个，主站向各从站发送请求帧，从站给予相应。在使用TCP通信时，主站为客户端（client），主动建立连接；从站为服务端（server），等待连接。

主站请求：功能码+数据
从站正常响应：请求功能码+响应数据
从站异常响应：异常功能码+异常码，其中异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1，异常码指示差错类型
注意：需要超时管理机制，避免无期限的等待可能不出现的应答

异常码

异常功能码即将请求功能码的最高有效位置1

01：非法功能
对于服务器（或从站）来说，询问中接收到的功能码是不可允许的操作，可能是因为功能码仅适用于新设备而被选单元中不可实现同时，还指出服务器（或从站）在错误状态中处理这种请求，例如：它是未配置的，且要求返回寄存器值。
02：非法数据地址
对于服务器（或从站）来说，询问中接收的数据地址是不可允许的地址，特别是参考号和传输长度的组合是无效的。对于带有100个寄存器的控制器来说，偏移量96和长度4的请求会成功，而偏移量96和长度5的请求将产生异常码02。
03：非法数据值
对于服务器（或从站）来说，询问中包括的值是不可允许的值。该值指示了组合请求剩余结构中的故障。例如：隐含长度是不正确的。modbus协议不知道任何特殊寄存器的任何特殊值的重要意义，寄存器中被提交存储的数据项有一个应用程序期望之外的值。
04：从站设备故障
当服务器（或从站）正在设法执行请求的操作时，产生不可重新获得的差错。
05：确认
与编程命令一起使用，服务器（或从站）已经接受请求，并且正在处理这个请求，但是需要长持续时间进行这些操作，返回这个响应防止在客户机（或主站）中发生超时错误，客户机（或主机）可以继续发送轮询程序完成报文来确认是否完成处理。
07：从属设备忙
与编程命令一起使用，服务器（或从站）正在处理长持续时间的程序命令，当服务器（或从站）空闲时，客户机（或主站）应该稍后重新传输报文。
08：存储奇偶性差错
与功能码20和21以及参考类型6一起使用，指示扩展文件区不能通过一致性校验。服务器（或从站）设备读取记录文件，但在存储器中发现一个奇偶校验错误。客户机（或主机）可重新发送请求，但可以在服务器（或从站）设备上要求服务。
0A：不可用网关路径
与网关一起使用，指示网关不能为处理请求分配输入端口值输出端口的内部通信路径，通常意味着网关是错误配置的或过载的。
0B：网关目标设备响应失败
与网关一起使用，指示没有从目标设备中获得响应，通常意味着设备未在网络中。

参考资料：
https://wenku.baidu.com/view/c2a9e1cc376baf1ffd4fad5c.html
https://blog.csdn.net/zwxue251/article/details/24154951
https://blog.csdn.net/lakerszhy/article/details/68927178?locationNum=4&fps=1
https://blog.csdn.net/iknow_nothing/article/details/84292914
http://blog.sina.com.cn/s/blog_91a077e50101ina9.html
https://blog.csdn.net/lushoumin/article/details/89073556