前言
作者与Modbus协议相伴的第十年。从最初接触时的懵懂，到如今深入理解其原理与应用，这十年里，Modbus本身没有变，变的是我对它的认知与掌握。它就像一位老朋友，始终如一地在工业通信领域默默发挥作用。
一直认为，Modbus的存在有其深刻的历史意义。即便没有Modbus，也一定会出现类似"ABUS"或"DBUS"这样的标准协议。
因为在工业自动化领域，控制器之间的通信亟需一个统一、开放的规范来提升开发效率和系统兼容性。正因如此，如今市面上绝大多数国产PLC——如台达、汇川、信捷等——都原生支持Modbus协议。掌握它，就等于掌握了与这些设备通信的"通用语言"。
本文将从一个从业者的视角，带大家系统理解Modbus的核心概念。虽然文章较长，但相信耐心读完后，你会对这个"老朋友"有全新的认识。
存储区分类：从现实控制逻辑出发
讲解Modbus时，喜欢从协议设计者的角度去思考。假设我们要制定一个新的通信协议，首要目标是实现数据传输。那么，如何组织这些数据？自然要区分不同类型。
在电气控制系统中，我们常用继电器、接触器来控制电路通断，它们的核心是"线圈"的得电与失电。
因此，用"线圈"来表示布尔量（0/1）非常贴切。而"寄存器"在计算机中本就是存储数据的单元，所以非布尔型数据（如整数、浮点数）自然归入"寄存器"。
这也可以和主流PLC的存储区对应起来：
| 序号 | 读写 | 存储类型 | 存储区名称 |
|---|---|---|---|
| 1 | 只读 | 线圈 | 输入线圈 |
| 2 | 读写 | 线圈 | 输出线圈 |
| 3 | 只读 | 寄存器 | 输入寄存器 |
| 4 | 读写 | 寄存器 | 保持寄存器 |
以西门子为例，I（输入）和Q（输出）虽然都是线圈，但I是只读（来自外部信号），Q是可读可写（输出控制信号）。因此，Modbus也应按读写权限细分存储区。
存储区代号：简化称呼
全称在开发中使用太繁琐，就像西门子用I、Q代替"输入""输出"，Modbus也给每个存储区起了代号：
| 存储区名称 | 存储区代号 |
|---|---|
| 输入线圈 | 1区 |
| 输出线圈 | 0区 |
| 输入寄存器 | 3区 |
| 保持寄存器 | 4区 |
这就像姓名和小名，正式场合用全称，日常交流用代号更高效。
存储区范围：地址的构成
任何存储区都有容量限制。Modbus规定每个区最大可有65536个地址，足够应对绝大多数场景。
我们以三菱X0-X2047为例，这里的"X"是存储区代号，"0"或"2047"是相对地址。组合起来就是绝对地址。
Modbus的绝对地址命名有其规则：
- 保持寄存器第一个地址是 400001（不是400000）
- 输入寄存器是 300001
- 输出线圈是 000001
- 输入线圈是 100001
如下图所示：
实际使用中，10000以内的地址通常已足够。为简化，也常用短地址模型：
功能码：操作的"快捷指令"
协议的核心是读写数据。我们有4个存储区，读写行为组合起来本应有6种（输入类只读，不可写）。
但Modbus进一步将写操作分为"单个"和"多个"，于是形成了8种核心操作：
| 行为序号 | 具体行为 |
|---|---|
| 1 | 读取输入线圈 |
| 2 | 读取输出线圈 |
| 3 | 读取输入寄存器 |
| 4 | 读取保持寄存器 |
| 5 | 写入输出线圈 |
| 6 | 写入保持寄存器 |
对应的功能码如下：
| 功能码 | 功能说明 |
|---|---|
| 0x01 | 读取输出线圈 |
| 0x02 | 读取输入线圈 |
| 0x03 | 读取保持寄存器 |
| 0x04 | 读取输入寄存器 |
| 0x05 | 写入单个线圈 |
| 0x06 | 写入单个寄存器 |
| 0x0F | 写入多个线圈 |
| 0x10 | 写入多个寄存器 |
功能码是Modbus的核心，这8个最常用，其余多用于诊断，较少使用。
协议分类：不止一种"方言"
Modbus本质是应用层规约，可在不同物理层上传输。常见的三种"方言"是：
- Modbus RTU：常用于串口（RS-485/232），二进制格式，高效紧凑。
- Modbus ASCII：同样用于串口，ASCII字符格式，便于调试。
- Modbus TCP：基于以太网，使用TCP/IP协议栈，适合现代网络环境。
注意：虽然通常RTU/ASCII走串口，TCP走以太网，但这并非绝对。协议本身不限制传输介质。
报文格式：通信的"语法"
不同协议的报文结构也不同：
1、Modbus RTU 报文格式
从站地址（1字节）
功能码（1字节）
数据部分（N字节）
CRC校验（2字节）
2、Modbus ASCII 报文格式
开始字符（:）
从站地址（2字节）
功能码（2字节）
数据部分（N字节）
LRC校验（2字节）
结束字符（CR LF）
3、Modbus TCP 报文格式
事务处理标识符（2字节）
协议标识符（2字节）
长度（2字节）
单元标识符（1字节）
功能码（1字节）
数据部分（N字节）
调试软件：学习的"加速器"
Modbus学习成本低，因为协议完全公开。我们可以通过调试软件在无硬件的情况下进行仿真学习。
三大必备工具：
| 工具名称 | 功能描述 |
|---|---|
| ModbusPoll | 模拟主站（客户端），发送请求。 |
| ModbusSlave | 模拟从站（服务器），响应请求。 |
| VSPD | 创建虚拟串口，用于串口协议调试。 |
另外，大量支持Modbus的设备（PLC、仪表、传感器等）也为实践提供了便利。
总结
Modbus之所以成为工业通信的"常青树"，在于它的免费、简单、灵活。它不依赖特定硬件或网络，上手容易，应用广泛。通过理解其存储区划分、功能码、报文结构等核心概念，我们不仅能与各类PLC通信，还能快速构建自己的工业通信系统。
十年相伴，Modbus教会不仅是协议本身，更是一种"化繁为简"的工程思维。希望这篇文章能帮助大家少走弯路，真正掌握这一工业通信的基石。
最后
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作者：dotNet工控上位机
出处：zhuanlan.zhihu.com/p/543148533
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