Modbus协议作为工业自动化领域中最为广泛应用的通信协议之一，由于其简洁、开放和高效的特点，一直以来被用于PLC、传感器、远程监控系统等设备之间的数据交换。其中，功能码在整个Modbus通信过程中起到了至关重要的作用，其不仅决定了设备所需执行的具体动作，同时也直接反映了报文结构及数据传输的细节。

Modbus协议概述

Modbus协议由Modbus协会制定，其核心思想是建立主从（主机－从机）的通信模型，以实现多个设备之间可靠、高效的数据交换。在该协议中，消息帧（或报文）由从站地址、功能码、数据域以及错误校验部分（通常为CRC校验）构成。功能码是一字节数据，其取值范围为0～127（0x00～0x7F），而出现异常时，功能码会在基础功能码上加上0x80（如功能码0x01异常响应为0x81），从而反映出错误信息。

Modbus通信支持多种物理层（如RS-232、RS-485、TCP/IP等）以及多种数据类型，主要包括位操作（针对单个bit）、寄存器操作（针对16位字）和部分特殊诊断操作。各类功能码对应不同操作内容，如读取或写入线圈状态、读取或写入保持寄存器、诊断功能以及自定义操作指令等，这些都在后续章节中逐一详述。

此外，Modbus设备中数据通常存储在四大数据块中：线圈（Coils）、离散输入（Discrete Inputs）、保持寄存器（Holding Registers）及输入寄存器（Input Registers），这为不同应用场景提供了丰富的数据类型。本文研究重点聚焦在功能码的工作原理和报文结构方面，而不额外展开设备应用场景或与其他协议的比较。

位操作功能码详解

Modbus中涉及位操作的数据主要指单个位（bit）数据，即用于表示布尔量（ON/OFF）的状态。位操作相关的功能码通常包括读取线圈状态、读取离散输入状态以及写操作中的单个或多个线圈控制。下面我们从读取操作和写入操作两大类依次解析。

Modbus 是工业自动化和控制系统中最常用的通信协议之一，其自 1979 年由 Modicon（现为施耐德电气的一部分）推出以来，已广泛应用于 PLC、传感器、仪表等设备间的数据传输。本文将全面探讨 Modbus 数据模型及数据转换技术的理论与实践，主要内容涉及数据模型定义、地址偏移、端序处理、浮点数及多寄存器数据转换等关键技术问题。通过对理论基础的剖析和实际案例的详细说明，本文旨在为工程师和开发人员提供一份权威、实用的参考文档，帮助他们准确解读和实现 Modbus 数据通信的各项需求。

Modbus 数据模型解析

Modbus 协议将数据抽象为几种不同的数据模型，主要包括：

1. 线圈（Coils）
   • 访问权限：可读写
   • 描述：代表单个位，用于控制开关状态。
2. 离散输入（Discrete Inputs）
   • 访问权限：只读
   • 描述：代表单个位，用于读取输入状态。
3. 输入寄存器（Input Registers）
   • 访问权限：只读
   • 描述：以 16 位整数（范围 0-65535）形式存储数据，常用于传感器读数等。
4. 保持寄存器（Holding Registers）
   • 访问权限：可读写
   • 描述：以 16 位整数形式存储数据，常用于配置参数或保存模拟量值。

Modbus是工业自动化中一种广泛使用的通信协议。随着网络技术的发展，Modbus TCP/IP协议应运而生，它允许设备通过以太网进行高效的通信。本文将详细介绍Modbus TCP/IP协议的MBAP头部结构，与传统Modbus的区别，及其具体应用示例。

Modbus TCP/IP协议概述

Modbus TCP/IP是基于TCP/IP协议的Modbus协议实现。它利用TCP/IP网络技术，将传统的Modbus通信协议通过以太网进行扩展。该协议广泛应用于各种工业设备、楼宇自动化和能源管理系统中，并且因其开放、灵活而受到高度重视。

MBAP头部结构

MBAP（Modbus Application Protocol）头部是Modbus TCP/IP数据报文中的重要部分，包含了控制和寻址信息。MBAP头部的格式如下：

MBAP头部组成

Modbus ASCII 是在Modbus协议下的一种通信模式，主要用于设备间的通信。相较于Modbus RTU，Modbus ASCII采用了字符编码方式进行数据传输。以下将详细分析Modbus ASCII的字符编码方式、帧结构与LRC校验，并提供相关示例，以及与Modbus RTU的对比。

字符编码方式

在Modbus ASCII模式下，通信的数据由ASCII字符构成。每个8位字节被拆分为两个ASCII字符进行发送。例如：

• 十六进制的0xAB（1010 1011）被发送为“AB”。
• 十六进制的0x1F（0001 1111）则被发送为“1F”。

这种做法便于人类读取与调试，但降低了传输效率。发送消息时，如果字符间的时间间隔超过1秒，接收设备将会认为发生了传输错误。

示例

假设主机要发送命令以读取从机的寄存器:

text
:01 03 00 00 00 02  

这里，01是从机地址，03为功能码（读取保持寄存器），接下来的00 00指明寄存器的起始地址和数量。发送时，每个字节都转换为ASCII字符。

帧结构与LRC校验