Modbus RTU 通信格式详解学习笔记

1️⃣ 核心思想：Modbus RTU 报文 = 一封结构化的“电报”

想象一下，你要给朋友发一封电报：

• 你得先告诉邮局：“这封信是给谁的？” → 对应 从站地址
• 然后告诉邮局：“这封信里说了什么？” → 对应 功能码 + 数据部分
• 最后，为了确保信件没有被篡改，你还要加一个“验证码” → 对应 校验部分

Modbus RTU报文就是这样一个结构化的“电报”，它由三个主要部分组成：

✅ Modbus RTU报文结构：
[从站地址] + [功能码] + [数据部分] + [校验部分]

我们下面会逐一分解每一个部分。

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2️⃣ 第一部分：从站地址（Slave Address）

🔹 定义

• 这是报文的第一字节，用来指定这封“电报”是发给哪个设备的。
• 在Modbus网络中，通常有一个主站（Master，如电脑、PLC）和多个从站（Slave，如传感器、变频器）。
• 主站通过“从站地址”来区分不同的从站设备。

🔹 取值范围

• 1 ~ 255（十进制）
• 其中，0 是广播地址（不常用），255 是保留地址。
• 实际应用中，常用的地址是 1 ~ 247。

🔹 举例说明

假设你的网络中有3个设备：

• 设备A：地址 01
• 设备B：地址 02
• 设备C：地址 03

当你想读取设备B的数据时，你发送的报文第一个字节就是 02。

✅ 一句话总结：
从站地址 = 收件人地址，告诉设备“这封信是给你的”。

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3️⃣ 第二部分：功能码（Function Code）

🔹 定义

• 这是报文的第二字节，用来告诉从站“你想干什么”。
• 功能码决定了接下来的数据部分应该包含哪些内容。

🔹 取值范围

• 1 ~ 8（实际上有更多，但常用的是这8个）
• 每个功能码对应一个特定的操作，比如“读取线圈”、“写入寄存器”等。

🔹 常用功能码速查表

功能码 (Hex)	功能描述	操作对象
01	读取输出线圈	输出线圈 (0区)
02	读取输入线圈	输入线圈 (1区)
03	读取输出寄存器	输出寄存器 (4区)
04	读取输入寄存器	输入寄存器 (3区)
05	写入单个线圈	输出线圈 (0区)
06	写入单个寄存器	输出寄存器 (4区)
0F	写入多个线圈	输出线圈 (0区)
10	写入多个寄存器	输出寄存器 (4区)

💡 记忆口诀：

• 读取功能码：01, 02, 03, 04 → 数字顺序排列，很好记！
• 写入功能码：05, 06 是单个；0F, 10 是多个。

🔹 举例说明

你想读取设备 01 的输出寄存器（地址 40001），那么功能码就是 03。

所以，报文的前两个字节是：01 03

✅ 一句话总结：
功能码 = 你想做什么，告诉设备“我要读/写什么数据”。

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4️⃣ 第三部分：数据部分（Data Part）

这是报文的核心部分，包含了具体的“操作参数”。数据部分的长度不是固定的，它取决于功能码。

🔹 数据部分的结构

数据部分可以分为两种情况：

📌 情况1：配合功能码（用于读取操作）

当功能码是“读取”类（01, 02, 03, 04）时，数据部分包含：

• 起始地址：2个字节（高字节+低字节）
• 长度：2个字节（高字节+低字节）

✅ 总长度：2 + 2 = 4 字节

🧩 举例说明

你想读取设备 01 的输出寄存器，从地址 40001 开始，读取1个寄存器：

• 起始地址：40001 的相对地址是 0（因为地址从1开始，偏移量从0开始），所以是 00 00
• 长度：读1个寄存器，所以是 00 01

数据部分 = 00 00 00 01

完整报文前6个字节 = 01 03 00 00 00 01

📌 情况2：配合功能码（用于写入操作）

当功能码是“写入”类（05, 06, 0F, 10）时，数据部分包含：

• 写入地址：2个字节（高字节+低字节）
• 数据：N个字节（N取决于要写入多少数据）

✅ 总长度：2 + N 字节

🧩 举例说明

你想写入设备 01 的输出寄存器，地址 40001，写入值 1234（十六进制 04D2）：

• 写入地址：40001 的相对地址是 0，所以是 00 00
• 数据：04 D2（2个字节）

数据部分 = 00 00 04 D2

完整报文前6个字节 = 01 06 00 00 04 D2

✅ 一句话总结：
数据部分 = 操作的具体参数，告诉设备“从哪里开始”、“写入什么数据”。

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5️⃣ 第四部分：校验部分（Checksum）

🔹 定义

• 这是报文的最后两个字节，用来保证报文的准确性和完整性。
• 如果在传输过程中数据被干扰或篡改，校验码就会不匹配，接收方会丢弃这个报文。

🔹 校验方式

• Modbus RTU 使用 CRC（循环冗余校验），这是一种非常可靠的校验算法。
• CRC校验码是根据前面所有字节（从站地址到数据部分）计算出来的。

🔹 计算方法（简单理解）

虽然CRC的计算公式很复杂，但你不需要手动计算！现代的Modbus软件或库都会自动帮你生成和验证CRC校验码。

📌 举例说明

我们继续上面的例子：

• 报文前6个字节：01 03 00 00 00 01
• 计算CRC校验码：84 0A（这是一个固定值，由算法计算得出）

完整报文 = 01 03 00 00 00 01 84 0A

✅ 一句话总结：
校验部分 = 数据的“验证码”，确保报文在传输过程中没有出错。

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6️⃣ 完整报文示例解析

下面我们用一个完整的例子，把前面所有的知识点串起来。

🎯 场景：读取设备 01 的输出寄存器，从地址 40001 开始，读取1个寄存器。

📌 步骤1：确定从站地址

• 设备地址 = 01

📌 步骤2：确定功能码

• 读取输出寄存器 = 03

📌 步骤3：确定数据部分

• 起始地址：40001 的相对地址是 0 → 00 00
• 长度：读1个寄存器 → 00 01
• 数据部分 = 00 00 00 01

📌 步骤4：计算校验部分

• CRC校验码 = 84 0A（由软件自动计算）

📌 最终报文（十六进制）：

01 03 00 00 00 01 84 0A

📌 报文结构分解：

部分	字节位置	内容	说明
从站地址	第1字节	01	发送给设备1
功能码	第2字节	03	读取输出寄存器
数据部分	第3-6字节	00 00 00 01	起始地址0，读1个寄存器
校验部分	第7-8字节	84 0A	CRC校验码

✅ 恭喜你！你已经掌握了Modbus RTU报文的完整结构！

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7️⃣ 常见问题与避坑指南

❓ 问题1：为什么我发送的报文没有响应？

• 可能原因：
  1. 从站地址错误 → 检查设备地址是否正确。
  2. 功能码错误 → 检查功能码是否匹配存储区。
  3. 数据部分错误 → 检查起始地址和长度是否正确。
  4. 校验码错误 → 使用正确的CRC算法计算校验码。
  5. 通信参数错误 → 检查波特率、数据位、停止位、校验位是否一致。

❓ 问题2：CRC校验码怎么计算？

• 不要手动计算！ 使用Modbus调试软件或编程库（如Python的pymodbus）自动生成。
• 如果你一定要手动计算，可以使用在线CRC计算器，选择“Modbus RTU CRC16”。

❓ 问题3：报文长度是多少？

• 报文长度不是固定的，它取决于功能码和数据部分。
• 最短报文：从站地址(1) + 功能码(1) + 校验(2) = 4字节（如写入单个线圈）
• 最长报文：理论上可达256字节（受协议限制）

🚨 重要提醒：
Modbus RTU协议规定，报文之间必须有3.5个字符时间的静默间隔，否则会被认为是同一个报文。这个细节在调试时很重要！

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8️⃣ 实战模拟：手把手教你构造报文

假设你现在有一个任务：

“我要写入设备 02 的输出线圈，地址 00001，设置为‘开’（值为1）。”

📌 步骤1：确定从站地址

• 设备地址 = 02

📌 步骤2：确定功能码

• 写入单个线圈 = 05

📌 步骤3：确定数据部分

• 写入地址：00001 的相对地址是 0 → 00 00
• 数据：设置为“开” → FF 00（Modbus规定，开=FF00，关=0000）
• 数据部分 = 00 00 FF 00

📌 步骤4：计算校验部分

• CRC校验码 = 8C 4B（由软件自动计算）

📌 最终报文（十六进制）：

02 05 00 00 FF 00 8C 4B

✅ 你已经成功构造了一个写入报文！

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🎯 下一步学习建议

1. 动手实践：使用Modbus调试软件（如Modbus Poll, QModBus），输入不同的地址、功能码和数据，观察返回结果。
2. 学习CRC校验：虽然不需要手动计算，但了解其原理有助于深入理解协议。
3. 阅读设备手册：任何Modbus设备都会在手册中列出支持的功能码、地址范围和通信参数，一定要学会看手册！
4. 学习Modbus TCP：这是以太网上的Modbus协议，结构更简单，适合网络通信。

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希望这篇超详细的笔记能帮你彻底搞懂Modbus RTU通信格式！记住，Modbus RTU报文就像一封结构化的“电报”，每个字节都有它的特定含义。只要掌握了这套规则，你就能轻松应对各种工业通信场景。加油，你已经迈出了成为工业通信高手的关键一步！💪