ModbusRTU通信报文分析—功能码02读取输入线圈笔记

写给初学者的话：
你是不是在调试Modbus设备时，看到一串十六进制数据（比如 02 02 00 0A 00 10 59 F7）就一头雾水？是不是搞不清“功能码02”、“起始地址”、“字节计数”这些词是什么意思？别担心！这篇笔记会从最基础的概念讲起，用生活化的比喻、清晰的表格和详细的步骤，带你彻底搞懂Modbus RTU协议中功能码02——读取输入线圈的完整过程。记住，功能码02就像一个“传感器状态查询器”，专门用来查看哪些传感器是触发的、哪些是没有触发的。这篇笔记内容超详细，字数很多，但每一句都是为你量身打造，慢慢看，一定能学会！

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1️⃣ 核心思想：功能码02 = 查询传感器状态

在上一篇笔记中，我们已经知道：

✅ 功能码02 是用来 “读取输入线圈” 的。

那什么是“输入线圈”呢？

• 输入线圈 (Input Coil)：其实就是“传感器”或“按钮”的状态。
• 它只有两种状态：触发 (ON) = 1 或 未触发 (OFF) = 0。
• 在Modbus协议中，它对应的是 1区（输入线圈区）。

所以，功能码02的作用就是：

“请问从站，从某个地址开始，连续N个传感器的状态分别是触发还是未触发？”

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2️⃣ 功能码02的发送报文结构

图中给出了发送报文的结构：

✅ 发送报文 = 从站地址 + 02 + 起始线圈地址 + 线圈数量 + CRC16校验

我们来逐一分解每一个部分。

🔹 第一部分：从站地址（Slave Address）

• 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。
• 取值范围：1 ~ 255（十进制）
• 实际应用中，常用的地址是 1 ~ 247。

✅ 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”。

🔹 第二部分：功能码 02

• 这是报文的第二字节，固定为 02。
• 它告诉从站：“我要读取输入线圈的状态”。

✅ 一句话总结：
功能码02 = 我要查传感器状态。

🔹 第三部分：起始线圈地址（Starting Coil Address）

• 这是报文的第三和第四字节，用来指定从哪个地址开始读取。
• 它是一个16位无符号整数，由高字节+低字节组成。
• 地址是从 0 开始计数的（相对地址），而不是从 1 开始。

🧩 举例说明

你想从地址 00011 开始读取（也就是第11个输入线圈）：

• 相对地址 = 10（因为地址从1开始，偏移量从0开始）
• 所以，起始地址 = 00 0A（高字节=00，低字节=0A）

💡 记忆口诀：
“绝对地址 - 1 = 相对地址”
比如：00001 → 0；00010 → 9；00011 → 10

🔹 第四部分：线圈数量（Coil Quantity）

• 这是报文的第五和第六字节，用来指定你要读取多少个线圈。
• 它也是一个16位无符号整数，由高字节+低字节组成。
• 最大可以读取 2000 个线圈（协议限制）。

🧩 举例说明

你想读取16个线圈：

• 线圈数量 = 16（十进制）
• 十六进制 = 00 10（高字节=00，低字节=10）

✅ 一句话总结：
线圈数量 = 我要查几个传感器。

🔹 第五部分：CRC16校验（Cyclic Redundancy Check）

• 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。
• CRC16校验码是根据前面所有字节（从站地址到线圈数量）计算出来的。

✅ 一句话总结：
CRC16校验 = 数据的“验证码”，确保报文在传输过程中没有出错。

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3️⃣ 功能码02的接收报文结构

图中也给出了接收报文的结构：

✅ 接收报文 = 从站地址 + 02 + 字节计数 + 具体数据 + CRC16校验

我们来逐一分解每一个部分。

🔹 第一部分：从站地址（Slave Address）

• 这是报文的第一字节，与发送报文中的从站地址相同。
• 它告诉主站：“这是谁回复的”。

✅ 一句话总结：
从站地址 = 回复人地址，告诉主站“这是我回复的”。

🔹 第二部分：功能码 02

• 这是报文的第二字节，固定为 02。
• 它告诉主站：“我正在回复你关于输入线圈的查询”。

✅ 一句话总结：
功能码02 = 我在回复传感器状态。

🔹 第三部分：字节计数（Byte Count）

• 这是报文的第三字节，用来指定后面“具体数据”部分有多少个字节。
• 它是一个8位无符号整数，最大值是 255。
• 因为每个字节可以存储8个线圈的状态（1个bit代表1个线圈），所以最多可以返回 255 * 8 = 2040 个线圈的状态。

🧩 举例说明

你请求读取16个线圈：

• 16个线圈需要多少字节？
  • 每个字节存8个线圈 → 16 / 8 = 2 → 正好2字节
• 所以，字节计数 = 02

✅ 一句话总结：
字节计数 = 数据部分有多少个字节。

🔹 第四部分：具体数据（Data）

• 这是报文的第四字节及以后，用来存放实际的线圈状态。
• 每个字节的每一位（bit）代表一个线圈的状态：
  • 1 = 触发（ON）
  • 0 = 未触发（OFF）
• 数据的顺序是从低位到高位，再从左到右。

🧩 举例说明

假设你读取了16个线圈，它们的状态是：

线圈编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
状态	1	0	1	1	0	0	1	0	1	1	0	1	0	1	0	1

那么，具体数据应该如何排列？

• 第1个字节：存储线圈1~8的状态 → 01001101（二进制）→ 4D（十六进制）
• 第2个字节：存储线圈9~16的状态 → 10101010（二进制）→ AA（十六进制）

💡 重要提醒：
在Modbus协议中，数据的位序是从低位到高位排列的！也就是说，第0位是最低位，第7位是最高位。

所以，正确的排列应该是：

• 线圈1 → bit0
• 线圈2 → bit1
• ...
• 线圈8 → bit7
• 线圈9 → bit0（下一个字节）
• 线圈10 → bit1（下一个字节）
• ...
• 线圈16 → bit7（下一个字节）

因此，具体数据 = 4D AA

🔹 第五部分：CRC16校验

• 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。
• CRC16校验码是根据前面所有字节（从站地址到具体数据）计算出来的。

✅ 一句话总结：
CRC16校验 = 数据的“验证码”，确保报文在传输过程中没有出错。

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4️⃣ 完整案例解析：读取2号从站从10开始的16个输入线圈

图中给出了一个完整的案例：

发送报文：02 02 00 0A 00 10 59 F7
接收报文：02 02 02 15 00 F3 28

下面我们来一步一步解析这个案例。

📌 步骤1：发送报文解析

发送报文 = 02 02 00 0A 00 10 59 F7

部分	字节位置	内容	说明
从站地址	第1字节	02	发送给设备2
功能码	第2字节	02	读取输入线圈
起始地址	第3-4字节	00 0A	从地址10开始（即00011）
线圈数量	第5-6字节	00 10	读取16个线圈
CRC16校验	第7-8字节	59 F7	CRC16校验码

✅ 发送报文含义：
“设备2，请告诉我从地址10开始的16个输入线圈的状态。”

📌 步骤2：接收报文解析

接收报文 = 02 02 02 15 00 F3 28

部分	字节位置	内容	说明
从站地址	第1字节	02	设备2回复的
功能码	第2字节	02	回复的是输入线圈状态
字节计数	第3字节	02	数据部分有2个字节
具体数据	第4-5字节	15 00	线圈状态数据
CRC16校验	第6-7字节	F3 28	CRC16校验码

✅ 接收报文含义：
“设备2回复：从地址10开始的16个输入线圈的状态是 15 00。”

📌 步骤3：解析具体数据 15 00

现在，我们要把 15 00 转换成16个线圈的状态。

🧮 第一步：将十六进制转换成二进制

• 15 → 00010101
• 00 → 00000000

🧮 第二步：按位解析

字节	二进制	对应线圈编号	状态
15	0 0 0 1 0 1 0 1	1 2 3 4 5 6 7 8	0 0 0 1 0 1 0 1
00	0 0 0 0 0 0 0 0	9 10 ...	0 0 0 0 0 0 0 0

💡 注意：
在Modbus协议中，位序是从低位到高位排列的！也就是说，第0位是最低位，第7位是最高位。

所以，正确的解析应该是：

• 第1个字节 15 → 00010101 → 从右到左：

  • bit0 = 1 → 线圈1 = 触发
  • bit1 = 0 → 线圈2 = 未触发
  • bit2 = 1 → 线圈3 = 触发
  • bit3 = 0 → 线圈4 = 未触发
  • bit4 = 1 → 线圈5 = 触发
  • bit5 = 0 → 线圈6 = 未触发
  • bit6 = 0 → 线圈7 = 未触发
  • bit7 = 0 → 线圈8 = 未触发

• 第2个字节 00 → 00000000 → 从右到左：

  • bit0 = 0 → 线圈9 = 未触发
  • bit1 = 0 → 线圈10 = 未触发
  • bit2 = 0 → 线圈11 = 未触发
  • bit3 = 0 → 线圈12 = 未触发
  • bit4 = 0 → 线圈13 = 未触发
  • bit5 = 0 → 线圈14 = 未触发
  • bit6 = 0 → 线圈15 = 未触发
  • bit7 = 0 → 线圈16 = 未触发

✅ 最终结果：

线圈编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
状态	1	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

🎉 恭喜你！你已经成功解析了功能码02的接收报文！

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5️⃣ 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 → 检查功能码是否为 02。
  3. 起始地址错误 → 检查地址是否从 0 开始。
  4. 线圈数量错误 → 检查数量是否在 1 ~ 2000 之间。
  5. 校验码错误 → 使用正确的CRC16算法计算校验码。
  6. 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：为什么接收报文中的字节计数是2，而我只读了16个线圈？

• 原因：因为16个线圈需要2个字节来存储（每个字节存8个线圈）。
• 16 / 8 = 2 → 正好2字节。

✅ 一句话总结：
字节计数 = ceil(线圈数量 / 8)

❓ 问题3：如何手动计算CRC16校验码？

• 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”。

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6️⃣ 实战模拟：手把手教你构造和解析报文

假设你现在有一个任务：

“我要读取设备 01 的输入线圈，从地址 00001 开始，读取8个线圈。”

📌 步骤1：构造发送报文

1. 从站地址 = 01
2. 功能码 = 02
3. 起始地址 = 00 00（相对地址0）
4. 线圈数量 = 00 08（读取8个线圈）
5. CRC16校验 = B2 0D（由软件自动计算）

发送报文 = 01 02 00 00 00 08 B2 0D

📌 步骤2：假设接收报文

假设设备回复：

接收报文 = 01 02 01 FF 8C 4B

📌 步骤3：解析接收报文

1. 从站地址 = 01 → 设备1回复的
2. 功能码 = 02 → 回复的是输入线圈状态
3. 字节计数 = 01 → 数据部分有1个字节
4. 具体数据 = FF → 二进制 11111111
5. CRC16校验 = 8C 4B → 校验通过

📌 步骤4：解析具体数据 FF

• FF → 11111111 → 从右到左：
  • bit0 = 1 → 线圈1 = 触发
  • bit1 = 1 → 线圈2 = 触发
  • bit2 = 1 → 线圈3 = 触发
  • bit3 = 1 → 线圈4 = 触发
  • bit4 = 1 → 线圈5 = 触发
  • bit5 = 1 → 线圈6 = 触发
  • bit6 = 1 → 线圈7 = 触发
  • bit7 = 1 → 线圈8 = 触发

✅ 最终结果：8个线圈全部为“触发”状态！

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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、线圈数量，观察返回结果。
2. 学习其他功能码：功能码01（读取输出线圈）、03（读取输出寄存器）、04（读取输入寄存器）等，它们的结构类似，只是操作对象不同。
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CRC16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。