Modbus通信协议

什么是Modbus?

顾名思义，它是一个Bus，即总线协议。比如串口协议、IIC协议、SPI都是通信协议。你接触到这种协议，相信你所处的行业是工业电子方面或者你的产品用于工业。

好了，现在知道了大概知道了，这是一个总线协议，是一个Mod什么的公司发表的一个通信协议。那为什么要用这个呢? 答案就是他们都在用，你就得学

正经的说，它被工业领域所接受的原因是它具备一下三个优点

公开发表并且无版权要求
易于部署和维护
对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制

简单的概括,就是免费+简单+方便修改!

归纳：Modbus就是一种用在工业上的简单协议!

Modbus的内容是什么?

大致分为以下几种:

Modbus-RTU
Modbus-ASCII
Modbus-TCP

以上三种协议，一个设备只会有一种协议，如果你的设备使用的是Modbus-RTU，只需查看以下对应部分，一般来说大部分的设备都是Modbus-RTU协议的。

通讯过程

Modbus是主从方式通信，也就是说，不能同步进行通信，总线上每次只有一个数据进行传输，即主机发送，从机应答，主机不发送，总线上就没有数据通信。(所以说，这也算是一个缺点了)

举例1: 一个总线上有一个主机，多个从机，主机查询其中一个从机，首先你必须得这些从机分配地址(这样才能知道哪个从机，而且每个地址必须唯一)，分配好地址后，主机要查询，然后数据下发(数据内容下面会介绍)，从机得到主机发送的数据,然后对应地址的从机回复，主机得到从机数据，这样就是一个主机到从机的通信过程，是不是很简单呢?

举例2: 就像打电话，你得知道对方的电话(这就是唯一地址)，然后你打电话过去，相当于主机查找从机，然后对方接通电话，给你回复(返回数据)，正常是这样的。

如果这时候，对方正在打电话，你应该听到的是"sorry,you…"这一串英文，说明对方忙，但是Modbus总线不能判断对方是否忙，也没有对应的仲裁机制，好了你又知道了一个缺点了！但是，你可以用软件的办法进行适当的处理数据！

Modbus-RTU协议

设备必须要有RTU协议！这是Modbus协议上规定的，且默认模式必须是RTU，ASCII作为选项。（也就是说，一般的设备只有RTU这个协议，ASCII一般很少）所以说，一般学习Modbus协议，只需要了解RTU的协议，ASCII作为学习的了解就足够了。

帧结构

帧结构 = 地址 + 功能码+ 数据 + 校验

地址: 占用一个字节，范围0-255，其中有效范围是1-247，其他有特殊用途，比如255是广播地址(广播地址就是应答所有地址，正常的需要两个设备的地址一样才能进行查询和回复)。
功能码：占用一个字节，功能码的意义就是，知道这个指令是干啥的，比如你可以查询从机的数据，也可以修改数据，所以不同功能码对应不同功能。可以类比一下RESTful的各种GET POST PUT...这样。
数据：根据功能码不同，有不同结构，在下面的实例中有说明。就像json xx-form一样。
校验：为了保证数据不错误，增加这个，然后再把前面的数据进行计算看数据是否一致，如果一致，就说明这帧数据是正确的，我再回复；如果不一样，说明你这个数据在传输的时候出了问题，数据不对的，所以就抛弃了。

实战

只谈理论大家可能不太明白，下面举一个例子。Modbus-RTU协议一般我们用的最多功能码就是03和06，大部分都是用modbus来查询传感器上的信息用03查询功能码，如果需要修改传感器寄存器的值就用06修改功能码。

回复数据解析

发送：从机的地址+我要干嘛的功能码+我要查的寄存器的地址+我要查的寄存器地址的个数+校验码
回复：从机的地址+主机发我的功能码+要发送给主机数据的字节数+数据+校验码

归纳

Modbus-RTU协议只需要看懂功能码0x03、0x06、0x10这三个基本的就已经足够了，分别回想下其数据域部分：

0x03—主机需要发送起始地址+寄存器数量，从机回复总字节数+数据；

0x06—主机发送起始地址+数据内容（因为你只需要修改一个，所以起始地址就是所要修改的地址），从机返回起始地址+数据内容（发现居然一样！）

0x10—主机发送起始地址+寄存器个数+总字节数+数据，从机返回起始地址+寄存器数量

Modbus-ACSII协议

一般只需要了解RTU协议，因为前面有说过，必须要有RTU协议的，所以只需要了解了RTU协议，就可以读出设备信息了，至于ACSII协议，做个大概了解即可。

帧形式

对于RTU协议，比如RTU发送一个字节：0x12；ASCII协议则需要发送2个字节：一个字节代表ASCII码1，一个代表ASCII码2，即0x31和0x32，才能代表0x12。所以，ASCII协议的效率比较低。但是ASCII更符合串口打印查看，因为串口发送的数据一般都是文本模式(ASCII)。

比如用RTU方式，也叫16进制方式，要发0x03数据，RTU方式就发送00000011。用ASCII发送0x03，就要发送0的ASCII码0x30和3的ASCII码0x33，对应到2进制也就是发送00110000和00110011。很显然RTU方式只需要发送8位就可以了(加上起始位和停止位就是10位数据)。那么ASCII码方式发送就需要两个8位(每个8位分别加上起始位和停止位就是20位数据)。也就是说ASCII码发送数据量是RTU方式的2倍，所以ASCII码效率更低。

那么ASCII码效率更低，数据发送量大为啥还采用这种方式呢？

因为假如你要发送数据0x03，采用RTU方式(16进制发送)，计算机中端设备接收到0x03后是不可以显示的，就是不能把0x03打印出来。因为可见字符的ASCII码是从32—126，不是这个范围以外的显示屏上都看不到，会出现乱码，如果是串口助手的话就会显示□□□□。如果采用ASCII方式(文本模式发送)，就不会出现不可显示和乱码的情况，因为文本模式发送0x03，就是发送ASCII码0和ASCII码3，也就是0x30和0x33，是可以正常显示在计算机中端的。所以现在知道为什么还要使用ASCII效率比较低的方式发送了吧，只是为了方便调试显示而已。

从上面的图中，看出：

1）比RTU多了起始段:，多个结束符CR，LF

2）地址和功能都变成了2个字节；

3）数据部分更加繁琐，但是更符合人们的查看；

归纳

由于Modbus-RTU和Modbus-ACSII都是基于232和485链路的，所以其通讯模式半双工，一般是主机和从机的模式。其差别就是其字节的格式不同，一个是16进制的数据，一个是ASCII数据。ASCII多了帧头和帧尾，也就是说可以有用这个头尾判断一帧字节来判断是否结束；而RTU没有帧头和帧尾，所以协议里明确两帧之间要大于3.5个字节时间间隔，作为一帧结束的判断依据。对于RS485来说，总线上一般允许最大32个设备。

常见的功能码

Modbus 四大数据区回顾

首先，我们需要理解 Modbus 的世界主要围绕着四种基本的数据区（或称数据类型）构建。您的上位机程序就是通过不同的功能码来读写这些区域。

数据区	寄存器地址范围	数据类型	可写性	通俗比喻
线圈 (Coils)	`0xxxx`	1-bit (开关量)	可读可写	继电器、指示灯、电磁阀的控制开关
离散输入 (Discrete Inputs)	`1xxxx`	1-bit (开关量)	只读	物理按钮、传感器、行程开关的状态指示灯
输入寄存器 (Input Registers)	`3xxxx`	16-bit (模拟量)	只读	温度/压力传感器的当前读数
保持寄存器 (Holding Registers)	`4xxxx`	16-bit (模拟量)	可读可写	温控器的温度设定值

下面这张表包含了您在 99% 的工控应用开发中会遇到的核心功能码。

功能码	名称 (英文)	作用	操作对象	读/写
`01` (`0x01`)	Read Coils	读取一个或多个线圈的状态	线圈 (Coils)	读
`02` (`0x02`)	Read Discrete Inputs	读取一个或多个离散输入的状态	离散输入	读
`03` (`0x03`)	Read Holding Registers	读取一个或多个保持寄存器的值	保持寄存器	读
`04` (`0x04`)	Read Input Registers	读取一个或多个输入寄存器的值	输入寄存器	读
`05` (`0x05`)	Write Single Coil	写入单个线圈的状态（置 ON 或 OFF）	线圈 (Coils)	写
`06` (`0x06`)	Write Single Holding Register	写入单个保持寄存器的值	保持寄存器	写
`15` (`0x0F`)	Write Multiple Coils	写入多个连续线圈的状态	线圈 (Coils)	写
`16` (`0x10`)	Write Multiple Holding Registers	写入多个连续保持寄存器的值	保持寄存器	写

Modbus TCP

　　Modbus TCP是Modbus协议在以太网上的一种实现，它保留了Modbus协议的核心功能和数据模型，但对消息封装进行了调整，使其符合TCP/IP的要求。在进行下一步之前我们首先对Modbus中的一些概念做一个了解。

存储区存储的数据类型分为布尔量和寄存器，布尔量如水阀的开关、灯的开关等数据。寄存器　如流速、导电率、温湿度、空气浓度等数据。

Modbus规定了4个存储区，分别是0、1、3、4，对应下面表格内容，具体为：

　　0区：可读可写的布尔量

　　1区：只读布尔量

　　3区：只读寄存器

　　4区：可读可写的寄存器

功能码

　　 Modbus定义了一系列的功能码，这些功能码表示了主站请求从站执行的具体操作，下面表格是一些常见的功能码，具体为：

　　1.4.1读操作

　　0x01：读输出线圈状态。

　　0x02：读输入线圈状态。

　　0x03：读输出寄存器的值。

　　0x04：读输入寄存器的值。

　　1.4.2写操作

　　0x05：写单个线圈状态。

　　0x06：写单个寄存器的值。

　　0x0F：写多个线圈状态。

　　0x10：写多个寄存器的值。

协议报文

　　Modbus TCP/IP的报文被封装在一个标准的TCP数据段内，而不是像串行通信那样直接在物理层上发送。TCP报文提供了端到端的可靠传输，包括数据分段、重传、流量控制和拥塞控制等机制。

　　Modbus TCP/IP的报文帧主要包括：

　　MBAP头：包含事务标识符、协议标识符、消息长度、设备地址

　　Modbus PDU：原始Modbus协议的数据部分，包括功能码、数据地址和数据值。

下面我们用一个表格来根据一段报文解释这两部分的具体内容 主站发送报文：

从站响应报文：

　从上面的报文中我们可以知道：

　　事务标识符：占2个字节，一次通信的过程中主站和从站的报文帧的事务标识符是一致的。

　　协议标识符：占2个字节，00 00表示Modbus TCP协议。

　　后面报文的长度：占2个字节，表示后面报文的长度。

　　从站地址：占1个字节，表示设备的地址，也就是Salve ID的值。

　　功能码：占1个字节，例子中的03表示的是读输出寄存器的值。

　　起始地址：占2个字节，表示从该设备的哪个位置开始读。

　　读取数量：占2个字节，表示从起始位置往后读的数量。

　　长度：占2个字节，表示后面还报文的长度。

　　对应的值：根据不同的存储类型所占的字节不同。

实战：

接下来我们尝试来写一个modbus tcp通信的从机。

using NModbus;
using NModbus.Data;
using NModbus.Device;
using NModbus.Serial;
using System.IO.Ports;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;

namespace modbus_slave;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        // --- 1. 定义从站和TCP参数 ---
        byte slaveId = 1;
        int port = 502; // Modbus TCP 默认端口
                        // IPAddress.Any (0.0.0.0) 表示监听容器内所有可用的网络接口
        var ipAddress = IPAddress.Any;

        Console.WriteLine($"准备在 {ipAddress}:{port} 上启动 Modbus TCP 从站 (ID: {slaveId})...");

        // --- 2. 创建监听器 ---
        var listener = new TcpListener(ipAddress, port);
        listener.Start();

        // --- 3. 创建数据存储区 (与之前完全一样) ---
        var dataStore = new SlaveDataStore();
        dataStore.HoldingRegisters.WritePoints(1, new ushort[] { 10, 20, 30 }); // 写入保持寄存器 (Holding Registers)。 这里是从地址1开始，也就是40001
        dataStore.InputRegisters.WritePoints(1, new ushort[] { 100, 200, 300 }); // 写入输入寄存器 (Input Registers)。从地址 1 开始写入数据，也就是30001这指定了我们要操作的是“线圈”区（地址范围 00001 起始），它是一种开关量（bool 类型）。这是可读可写的开关量数据区，通常用于控制继电器或指示灯。
        dataStore.CoilDiscretes.WritePoints(1, new bool[] { true });
// 写入线圈 (Coils)。
        Console.WriteLine("数据存储区已初始化。");

        // --- 4. 创建 Modbus 从站网络 ---
        var factory = new ModbusFactory();
        var network = factory.CreateSlaveNetwork(listener);
        var slave = factory.CreateSlave(slaveId, dataStore);
        network.AddSlave(slave);

        // --- 5. 开始监听 ---
        Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Green;
        Console.WriteLine($"从站已在 TCP 端口 {port} 上开始监听... 按 Ctrl+C 退出。");
        Console.ResetColor();

        await network.ListenAsync();
    }
}

首先我们要关注的就是数据存储器的代码，SlaveDataStore 的作用是作为您的 Modbus 从站设备的内存数据库或数据中心。

您可以把它想象成一个模拟设备（比如 PLC 或传感器）的**“大脑”或“内存条”。当外部的主站（Master）设备发来一个请求，比如“读取3号寄存器的值”时，NModbus 框架负责处理通信协议的细节（接收数据、校验CRC、解析功能码），但它需要一个地方来查找“3号寄存器”的真实数值**。这个地方，就是您所创建和管理的 SlaveDataStore。

数据存储区的作用

整个工作流程是这样的：

一个 Modbus 主站（例如测试软件）发送一个请求（比如：读取功能码 03，地址 1，数量 3）。
您的 C# 从站程序的 ModbusSlaveNetwork 在串口或 TCP 端口上接收到这个请求并解析它。
它理解了这是一个“读取保持寄存器”的指令。
然后，它会转向您提供的 SlaveDataStore 对象，并向它查询：“请从你的 HoldingRegisters 集合里，把地址从 1 开始的 3 个值给我。”
SlaveDataStore 从自己的内存中找到这些值（例如 [10, 20, 30]）并返回它们。
最后，ModbusSlaveNetwork 将这些值打包成一个标准的 Modbus 响应帧，通过串口或 TCP 发送回主站。

然后就是从站网络，从站网络的作用是调度中心和交通枢纽。如果把您的整个从站程序比作一个公司，那么：

TcpListener / SerialPort: 是公司的总机电话或大门口，负责接收所有外部来电或访客。
IModbusSlaveNetwork (您代码中的 network): 是坐在大门口的前台或总机接线员。
IModbusSlave (您代码中的 slave): 是公司里的具体员工（例如，工号为1的“张三”）。
SlaveDataStore: 是员工张三的个人文件柜，存放着他负责的所有数据。

ModbusFactory();这是一个遵循“工厂设计模式”的辅助类。它的作用是帮助我们创建所有符合 Modbus 规范的标准组件，避免我们手动 new 那些内部逻辑复杂的对象。您可以把它看作是公司的“行政部”，负责招聘员工和分配办公用品。

factory.CreateSlaveNetwork(listener);组成: 这一步创建了一个 IModbusSlaveNetwork 的实例。它的核心组成部分是一个传输层接口 (IModbusTransport)，这个接口包裹了您传入的 listener (TCP监听器)。这行代码正在创建**“前台/总机接线员” (network)。您把公司的“总机电话” (listener)** 交给了它，并告诉它：“从现在开始，你要负责监听这个电话的所有来电”。此时状态: network 已经知道如何监听了，但它手头还没有任何员工的联系方式。如果现在有电话打进来，它不知道该转接给谁。

factory.CreateSlave(slaveId, dataStore);这一步创建了一个 IModbusSlave 的实例。它的核心组成是 从站ID (Unit ID) 和一个 数据存储区 (ISlaveDataStore)。

network.AddSlave(slave);这一步是在 IModbusSlaveNetwork 内部的一个字典（或集合）中，添加一条记录，将 slaveId 和 slave 对象关联起来。可以多次调用 network.AddSlave() 来添加更多具有不同 ID 的从站。例如，您可以再创建一个 slaveId = 2 的 slave2 并添加进去。这样，您的同一个程序就可以在同一个端口上模拟多个不同的 Modbus 设备。

现在我们可以来看看报文，应该可以更好地理解它的组成。

这里是一个主站master 程序在7789端口发往从站slave 502端口的一个指令。这个指令的具体意思是：“你好，请 ID 为 1 的从站设备，把你的、从第 1 个地址开始的、连续 3 个保持寄存器 (Holding Registers) 的值告诉我。”

Modbus - 应用层 (您最关心的“信件内容”)

这是数据包的核心，定义了本次通信的业务意图。对应您截图中间详情窗口的最后一部分。

Function Code: 3 (Read Holding Registers):
- 功能码 03。这明确了本次操作的类型是“读取保持寄存器”。这是您在 C# 代码中调用 _master.ReadHoldingRegistersAsync(...) 所产生的结果。
Reference Number: 1:
- 起始地址 1。这告诉从站要从哪个地址开始读取。
Word Count: 3:
- 读取数量 3。这告诉从站需要读取 3 个连续的寄存器（每个寄存器是 16-bit 的字）。

Modbus/TCP - 应用层头部 (MBAP Header)

这是为了让 Modbus 协议能够在 TCP/IP 网络上传输而额外增加的一个“信封头”。

Transaction Identifier: 1:
- 事务标识符 1。这是一个序列号，由主站为每个请求生成。从站的响应中会包含完全相同的标识符，这样主站就能将请求和响应一一对应起来，尤其是在异步通信中。
Protocol Identifier: 0:
- 协议标识符 0。对于 Modbus 协议，这个值固定为 0。
Length: 6:
- 长度 6。它指明了后面还跟着 6 个字节的数据。我们来数一下：Unit Identifier (1字节) + Function Code (1字节) + Reference Number (2字节) + Word Count (2字节) = 6 字节。完全正确。
Unit Identifier: 1:
- 单元标识符（从站ID） 1。即使在 TCP 通信中通常是一对一，但为了兼容 Modbus 网关等设备，这个字段依然被保留，用于指定最终要访问的从站设备地址。

TCP 和 IP 层 (传输层和网络层)

这部分是为 Modbus 数据提供可靠的、端到端的传输服务。

Source Port (源端口): 7798
- 这是您的主站程序（客户端）在发起连接时，由操作系统随机分配的一个临时端口。
Destination Port (目标端口): 502
- 这是 Modbus TCP 协议的标准服务端口，您的从站程序正在这个端口上监听请求。

数据包在列表中的上下文

在顶部的报文列表中，您可以看到：

在 #1528 这个 Query 包之前，有 [SYN], [SYN, ACK], [ACK] 等包，那是 TCP 协议在建立连接的过程。

SYN (Synchronize): 同步请求标志。发起方用它来表示“我想和你建立连接，并同步我们的通信序列号”。

ACK (Acknowledge): 确认标志。接收方用它来表示“我收到了你的消息”。