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：
- 协议公开发表，无版税使用要求，降低应用门槛；
- 工业网络部署相对简便，适配多种工业场景；
- 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：
| 功能码 | 功能描述 | 对应寄存器 PLC 地址范围 | 操作类型 | 支持操作数量 |
|---|---|---|---|---|
| 01H | 读线圈状态 | 00001-09999 | 位操作（1 字节） | 单个或多个 |
| 02H | 读离散输入状态 | 10001-19999 | 位操作（1 字节） | 单个或多个 |
| 03H | 读保持寄存器 | 40001-49999 | 字操作（2 字节） | 单个或多个 |
| 04H | 读输入寄存器 | 30001-39999 | 字操作（2 字节） | 单个或多个 |
| 05H | 写单个线圈 | 00001-09999 | 位操作（1 字节） | 单个 |
| 06H | 写单个保持寄存器 | 40001-49999 | 字操作（2 字节） | 单个 |
| 0FH | 写多个线圈 | 00001-09999 | 位操作（1 字节） | 多个 |
| 10H | 写多个保持寄存器 | 40001-49999 | 字操作（2 字节） | 多个 |
（二）功能码分类说明
- 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）。
- 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：
| 寄存器 PLC 地址范围 | 寄存器协议地址范围 | 对应功能码 | 寄存器类型 | 操作属性 |
|---|---|---|---|---|
| 00001-09999 | 0000H-FFFFH | 01H、05H、0FH | 线圈状态 | 可读可写 |
| 10001-19999 | 0000H-FFFFH | 02H | 离散输入状态 | 可读 |
| 30001-39999 | 0000H-FFFFH | 04H | 输入寄存器 | 可读 |
| 40001-49999 | 0000H-FFFFH | 03H、06H、10H | 保持寄存器 | 可读可写 |
（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：
| 寄存器种类 | 功能说明 | PLC 类比 | 应用举例 |
|---|---|---|---|
| 线圈状态 | 输出端口，可设定输出状态，也可读取该位输出状态 | DO（数字量输出） | 继电器输出、MOSFET（晶体管）输出等 |
| 离散输入状态 | 输入端口，通过外部设定改变输入状态，可读不可写 | DI（数字量输入） | 按钮开关、光电开关等触发信号 |
| 保持寄存器 | 输出参数或保持参数，控制器运行时被设定的某些参数，可读可写 | AO（模拟量输出） | 模拟量输出设定值、PID 运行参数、变量阀输出大小、传感器报警上下限等 |
| 输入寄存器 | 输入参数，控制器运行时从外部设备获得的参数，可读不可写 | AI（模拟量输入） | 模拟量传感器测量值（如温度、压力、流量等） |
（三）PLC 地址和协议地址区别
- 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。
- 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
- 功能描述：读取线圈寄存器当前的开关状态（ON/OFF）。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 01 |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 13 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 25 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 0C |
| 8 | CRC 校验高字节 | 14 |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 01 |
| 3 | 返回字节数 | 05 |
| 4 | 数据 1（线圈 0013H-001AH） | CD |
| 5 | 数据 2（线圈 001BH-0022H） | 6B |
| 6 | 数据 3（线圈 0023H-002AH） | B2 |
| 7 | 数据 4（线圈 002BH-0032H） | 0E |
| 8 | 数据 5（线圈 0033H-0037H） | 1B |
| 9 | CRC 校验低字节 | 44 |
| 10 | CRC 校验高字节 | EA |
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
- 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。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 02 |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | C4 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 16 |
| 7 | CRC 校验低字节 | B8 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 39 |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 02 |
| 3 | 返回字节数 | 03 |
| 4 | 数据 1（00C4H-00CBH） | AC |
| 5 | 数据 2（00CCH-00D3H） | DB |
| 6 | 数据 3（00D4H-00D9H） | 35 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 22 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 88 |
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
- 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。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 03 |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 6B |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 03 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 74 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 17 |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 03 |
| 3 | 返回字节数 | 06 |
| 4 | 数据 1 高字节（006BH） | 00 |
| 5 | 数据 1 低字节（006BH） | 6B |
| 6 | 数据 2 高字节（006CH） | 00 |
| 7 | 数据 2 低字节（006CH） | 13 |
| 8 | 数据 3 高字节（006DH） | 00 |
| 9 | 数据 3 低字节（006DH） | 00 |
| 10 | CRC 校验低字节 | F5 |
| 11 | CRC 校验高字节 | 79 |
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
- 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。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 04 |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 08 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 02 |
| 7 | CRC 校验低字节 | F0 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 09 |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 04 |
| 3 | 返回字节数 | 04 |
| 4 | 数据 1 高字节（0008H） | 00 |
| 5 | 数据 1 低字节（0008H） | 0A |
| 6 | 数据 2 高字节（0009H） | 00 |
| 7 | 数据 2 低字节（0009H） | 0B |
| 8 | CRC 校验低字节 | 9A |
| 9 | CRC 校验高字节 | 41 |
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
- 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。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 05 |
| 3 | 寄存器地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器地址低字节 | AC |
| 5 | 数据高字节 | FF |
| 6 | 数据低字节 | 00 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 4C |
| 8 | CRC 校验高字节 | 1B |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 05 |
| 3 | 寄存器地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器地址低字节 | AC |
| 5 | 数据高字节 | FF |
| 6 | 数据低字节 | 00 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 4C |
| 8 | CRC 校验高字节 | 1B |
（六）写单个保持寄存器 06H
- 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。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 06 |
| 3 | 寄存器地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器地址低字节 | 00 |
| 5 | 数据高字节 | 00 |
| 6 | 数据低字节 | 01 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 48 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 0A |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 06 |
| 3 | 寄存器地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器地址低字节 | 00 |
| 5 | 数据高字节 | 00 |
| 6 | 数据低字节 | 01 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 48 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 0A |
（七）写多个线圈寄存器 0FH
- 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）。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 0F |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 13 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 0A |
| 7 | 字节数 | 02 |
| 8 | 数据 1（0013H-001AH） | CD |
| 9 | 数据 2（001BH-001CH） | 01 |
| 10 | CRC 校验低字节 | 72 |
| 11 | CRC 校验高字节 | CB |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 0F |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 13 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 0A |
| 7 | CRC 校验低字节 | （根据实际计算得出） |
| 8 | CRC 校验高字节 | （根据实际计算得出） |
（八）写多个保持寄存器 10H
- 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。
- 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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 10 |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 01 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 02 |
| 7 | 字节数 | 04 |
| 8 | 数据 1 高字节（0001H） | 00 |
| 9 | 数据 1 低字节（0001H） | 0A |
| 10 | 数据 2 高字节（0002H） | 01 |
| 11 | 数据 2 低字节（0002H） | 02 |
| 12 | CRC 校验低字节 | 92 |
| 13 | CRC 校验高字节 | 30 |
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：
| 字节序号 | 功能 | 十六进制数据 |
|---|---|---|
| 1 | 从机地址 | 01 |
| 2 | 功能码 | 10 |
| 3 | 寄存器起始地址高字节 | 00 |
| 4 | 寄存器起始地址低字节 | 01 |
| 5 | 寄存器数量高字节 | 00 |
| 6 | 寄存器数量低字节 | 02 |
| 7 | CRC 校验低字节 | 10 |
| 8 | CRC 校验高字节 | 08 |
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。
