2. Modbus协议核心机制
Modbus 是工业现场最常用的串行/以太网应用层协议之一。它本身不定义物理层，而是把“主站问、从站答”的交互规则、数据模型和错误处理方式固定下来。理解 Modbus 的关键，不是背功能码表，而是先分清三种传输方式如何把同一套协议数据单元（PDU）封装成不同的帧，再理解功能码如何映射到四类数据区，最后掌握异常响应的判断方法。
一、三种传输方式：同一 PDU，不同封装
Modbus 的核心是 PDU：功能码 + 数据。例如读保持寄存器请求的 PDU 是 03 00 00 00 02，其中 03 是功能码，后面是起始地址和数量。三种传输方式在 PDU 前后加上不同字段，形成 ADU（应用数据单元）。
Modbus RTU 使用二进制编码，帧与帧之间靠至少 3.5 个字符时间的静默间隔分隔。典型帧结构为：从站地址（1 字节）+ PDU + CRC16 校验（2 字节，低字节在前）。例如从站 1 读 40001 开始的 2 个保持寄存器，请求帧为 01 03 00 00 00 02 C4 0B。RTU 效率高，是串行现场最常用的方式。
Modbus ASCII 把每个字节用两个 ASCII 字符表示，帧以冒号 : 开始，以 CRLF 结束，并带 LRC 校验。例如同样的请求会变成 :010300000002FA\r\n。ASCII 可读性好、字符间隔容忍度高，但传输效率约为 RTU 的一半，现代工程中较少使用。
Modbus TCP 在 PDU 前加 7 字节 MBAP 报文头：事务标识（2 字节）、协议标识（2 字节，固定 0）、长度（2 字节）、单元标识（1 字节）。它没有 CRC，因为 TCP/IP 已提供校验和可靠传输。MBAP 中的事务标识用于把请求和响应配对，单元标识在网关场景中常用来标识后端串行从站。
二、功能码与四类数据区
Modbus 把从站数据抽象为四类数据区，用“区号 + 地址”定位。功能码决定操作哪类区、是读还是写。工程中最常用的功能码如下：
| 功能码 | 名称 | 数据区 | 地址范围（协议地址） | 常用 PLC 地址 |
|---|---|---|---|---|
| 01 | 读线圈 | 线圈（可读写位） | 0x0000–0xFFFF | 00001–09999 |
| 02 | 读离散输入 | 离散输入（只读位） | 0x0000–0xFFFF | 10001–19999 |
| 03 | 读保持寄存器 | 保持寄存器（可读写字） | 0x0000–0xFFFF | 40001–49999 |
| 04 | 读输入寄存器 | 输入寄存器（只读字） | 0x0000–0xFFFF | 30001–39999 |
| 05 | 写单个线圈 | 线圈 | 0x0000–0xFFFF | 00001–09999 |
| 06 | 写单个寄存器 | 保持寄存器 | 0x0000–0xFFFF | 40001–49999 |
| 15 | 写多个线圈 | 线圈 | 0x0000–0xFFFF | 00001–09999 |
| 16 | 写多个寄存器 | 保持寄存器 | 0x0000–0xFFFF | 40001–49999 |
这里最容易出错的是“协议地址”和“PLC 地址”的偏移。协议帧里出现的地址从 0 开始，而工程习惯用 1 起始的 40001 表示第一个保持寄存器。因此 40001 对应协议地址 0x0000，40002 对应 0x0001。写代码或配置网关时，必须确认工具要求填哪一种，否则会出现整体偏移一位的典型故障。
三、寄存器映射：把设备数据翻译成 Modbus 地址
寄存器映射的本质是“设备内部变量 ↔ Modbus 地址”的对照表。以一台支持 Modbus RTU 的温控器为例，假设其说明书给出如下映射（示例参数，仅用于说明方法）：
设备变量 类型 协议地址 功能码 说明
当前温度 输入寄存器 0x0000 04 单位 0.1℃，只读
设定温度 保持寄存器 0x0000 03/06 单位 0.1℃，可读写
运行状态 离散输入 0x0000 02 0=停止，1=运行
启停命令 线圈 0x0000 01/05 写 1 启动，写 0 停止
报警代码 输入寄存器 0x0001 04 0=无报警若主站要读取当前温度，请求 PDU 为 04 00 00 00 01；从站返回 04 02 01 2C，其中 01 2C 是十六进制 300，按 0.1℃ 换算即 30.0℃。若要把设定温度改为 25.0℃，则用功能码 06 写 06 00 00 00 FA，其中 00 FA 是 250，即 25.0℃。可以看到，映射表决定了“地址 + 功能码 + 数据格式”三要素，缺一不可。
四、异常响应：从站如何告诉主站“我做不到”
当从站无法正常执行请求时，它不会沉默，而是返回异常响应。异常响应的 PDU 结构为：功能码最高位置 1 + 异常码。例如功能码 03 的异常响应功能码是 0x83（03 | 0x80）。常见异常码包括：
- 01 非法功能：从站不支持该功能码，例如只支持 03/06 却收到 16。
- 02 非法数据地址：请求的地址超出从站映射范围，例如访问 0x0100 但设备只有 0x0000–0x000F。
- 03 非法数据值：写入的值不合法，例如设定温度超出允许范围。
- 04 从站设备故障：从站执行时发生内部错误。
- 05 确认：从站已接受请求但需要较长时间处理，主站应稍后重试。
- 06 从站忙：从站正在处理长任务，暂时无法响应。
- 0B 网关目标设备无响应：网关后面的串行从站没有应答，常见于接线、波特率或站号错误。
排查时，先看异常码，再回到请求帧核对功能码、地址、数量和值。例如收到 83 02，说明功能码 03 被识别，但地址越界，应检查映射表地址范围；收到 83 0B，则问题多半在网关后端链路，而不是 Modbus TCP 本身。