3. Modbus TCP 协议基础：协议帧结构、功能码分类与寄存器地址映射

Modbus TCP 是工业物联网边缘网关与 PLC、RTU、仪表等现场设备通信的事实标准协议。它基于 TCP/IP 栈，在以太网上传输 Modbus 应用数据单元（ADU）。掌握协议帧结构、功能码分类和寄存器地址映射，是调试边缘网关数据采集通道的必备基础。

3.1 协议帧结构：MBAP + PDU

Modbus TCP 帧由两部分组成：MBAP 报文头（Modbus Application Protocol Header）和 PDU（Protocol Data Unit）。PDU 又包含功能码和数据域。

3.2 功能码分类与速查表

Modbus TCP 定义了三类功能码：位操作、字操作和诊断。边缘网关最常用的是 01/02/03/04（读）和 05/06/15/16（写）。

3.3 寄存器地址映射：PLC 与网关的“翻译表”

寄存器地址映射是边缘网关配置的核心环节。PLC 端使用物理地址（如 40001），而 Modbus TCP 报文中的地址域使用协议地址（0x0000 起始）。网关需要完成这两者之间的转换。

3.3.1 地址映射规则

3.3.2 典型映射示例（边缘网关配置）

假设某厂务系统需要采集以下数据点：

3.4 实战：使用 Python 构造 Modbus TCP 请求帧

以下代码演示如何手动构造一个读保持寄存器请求帧（功能码 03），读取从地址 0x0000 开始的 2 个寄存器。

import struct
import socket

# 构造 MBAP 报文头
transaction_id = 1          # 事务标识，自增
protocol_id = 0             # 协议标识，固定 0x0000
unit_id = 1                 # 单元标识（从站地址）
# 长度 = 单元标识(1) + 功能码(1) + 数据域(4) = 6
length = 6

# 构造 PDU
function_code = 0x03        # 读保持寄存器
start_address = 0x0000      # 起始地址
quantity = 2                # 读取 2 个寄存器

# 打包为字节流
mbap_header = struct.pack('>HHHB', transaction_id, protocol_id, length, unit_id)
pdu = struct.pack('>BHH', function_code, start_address, quantity)
request_frame = mbap_header + pdu

print("请求帧（十六进制）：", request_frame.hex())
# 输出示例：000100000006010300000002
# 分解：0001 | 0000 | 0006 | 01 | 03 | 0000 | 0002

3.5 常见问题与避坑指南

• 地址偏移错误：PLC 地址 40001 对应协议地址 0x0000，不是 0x0001。网关配置时若填 0x0001，会读到错误的寄存器。
• 字节序问题：Modbus 默认使用 Big-Endian（大端序）。读取 32 位浮点数时，高 16 位在前，低 16 位在后。部分 PLC 使用 Little-Endian，需要在网关侧配置字节交换。
• 功能码不匹配：读模拟量必须用 03 或 04，不能用 01/02。写多寄存器必须用 16，不能用 06 逐个写（效率低）。
• 超时与重试：边缘网关默认超时通常为 1~3 秒。对于响应慢的串口透传设备，建议将超时设为 5 秒以上。