Modbus功能碼詳解

Modbus功能碼是Modbus消息幀（報(bào)文）的重要組成部分，是Modubs協(xié)議中通信事務(wù)處理的基礎(chǔ)，代表消息將要執(zhí)行的動(dòng)作。

功能碼概要

簡(jiǎn)而言之，Modbus功能碼占用一個(gè)字節(jié)，取值范圍是1127，之所以127以上不能使用，是因?yàn)镸odbus規(guī)定出現(xiàn)異常時(shí)，功能碼+0x80（十進(jìn)制128）代替異常狀態(tài)，因此129（1+128）255（127+128）的取值代表異常碼。

Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中規(guī)定了由3類Modbus功能碼，分別是：

1. 公共功能碼

   1. 被明確定義的功能碼
   2. 保證唯一性
   3. 由Modbus協(xié)會(huì)確認(rèn)，并提供公開的文檔；
   4. 可進(jìn)行一致性測(cè)試
   5. 包括協(xié)議定義的功能碼和保留將來使用的功能碼

2. 用戶自定義功能碼

   1. 有兩個(gè)用戶自定義功能碼區(qū)域，分別是6572和100110；
   2. 用戶自定義，不保證唯一性。

3. 保留功能碼

   保留功能碼是因?yàn)闅v史遺留原因，某些公司的傳統(tǒng)產(chǎn)品上現(xiàn)行使用的功能碼不作為公共使用。

Modbus部分功能碼如下：

代碼	名稱	寄存器PLC地址	位/字操作	操作數(shù)量
01	讀線圈狀態(tài)	00001~09999	位操作	單個(gè)或多個(gè)
02	讀離散輸入狀態(tài)	10001~19999	位操作	單個(gè)或多個(gè)
03	讀保持寄存器	40001~49999	字操作	單個(gè)或多個(gè)
04	讀輸入寄存器	30001~39999	字操作	單個(gè)或多個(gè)
05	寫單個(gè)線圈	00001~09999	位操作	單個(gè)
06	寫單個(gè)保持寄存器	40001~49999	字操作	單個(gè)
15	寫多個(gè)線圈	00001~09999	位操作	多個(gè)
16	寫多個(gè)保持寄存器	40001~49999	字操作	多個(gè)

功能碼可分為位操作和字操作兩類。位操作的最小單位為一位（bit），字操作的最小單位為兩個(gè)字節(jié)。

• 位操作指令：讀線圈狀態(tài)功能碼01，讀（離散）輸入狀態(tài)功能碼02，寫單個(gè)線圈功能碼06和寫多個(gè)線圈功能碼15.
• 字操作指令：讀保持寄存器功能碼03，讀輸入寄存器功能碼04，寫單個(gè)保持寄存器功能碼06，寫多個(gè)保持寄存器功能碼16.

01（0x01）讀取線圈/離散量輸出狀態(tài)

功能說明

讀取從設(shè)備的線圈或離散量輸出的狀態(tài)，即各DO的ON/OFF狀態(tài)。消息幀中指定了需讀取的線圈起始地址和線圈數(shù)目。需要注意的一點(diǎn)是，在Modbus協(xié)議規(guī)定的PDU中，規(guī)定所有線圈或寄存器地址從0開始計(jì)算。

查詢報(bào)文

查詢幀的消息里，定義了從設(shè)備地址為3，并讀取從設(shè)備的Modbus地址0001900055（線圈地址0002000056）共計(jì)37個(gè)狀態(tài)值。起始線圈地址為0x13（即十進(jìn)制00019），因?yàn)榫�圈地址從0開始計(jì)數(shù)。

Modbus協(xié)議規(guī)定，起始地址由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF；線圈數(shù)量由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00010x07D0（即十進(jìn)制1~2000）.

ASCII模式中直接按每4個(gè)位拆分為對(duì)應(yīng)的字符表示。

響應(yīng)報(bào)文

響應(yīng)報(bào)文的數(shù)據(jù)字段中，每一個(gè)線圈占用1個(gè)位（bit），狀態(tài)被表示為1=ON和0=OFF兩種類型。第1個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的LSB（最低有效位）標(biāo)識(shí)查詢報(bào)文中的起始地址線圈的狀態(tài)值，其他線圈依次類推，一直到這個(gè)字節(jié)的MSB（最高有效位）位置，并在后續(xù)字節(jié)中按照同樣的方式（由低到高）排列。

一個(gè)字節(jié)可以表示8個(gè)線圈的狀態(tài)，如果最后的數(shù)據(jù)字節(jié)中不能填滿8個(gè)線圈的狀態(tài)，則由0填充。對(duì)應(yīng)于查詢報(bào)文中需要讀取37個(gè)線圈的狀態(tài)，則共需要5個(gè)字節(jié)保存狀態(tài)值。

02（0x02）讀取離散量輸入值

功能說明

該功能碼用于讀取從設(shè)備的離散輸入即DI的ON/OFF狀態(tài)。消息幀中制定了需讀取的離散輸入寄存器起始地址和數(shù)目，可讀取1~2000個(gè)連續(xù)的離散量輸入狀態(tài)。如果從設(shè)備接受主設(shè)備的請(qǐng)求則回復(fù)功能碼02，并返回離散量輸入各離散量的當(dāng)前狀態(tài)。如果返回的離散輸入數(shù)量的個(gè)數(shù)不是8的整數(shù)倍，將用0填充最后數(shù)據(jù)字節(jié)的剩余位。

03（0x03）讀取保持寄存器值

功能說明

用于讀取從設(shè)備保持寄存器的內(nèi)容，不支持廣播模式。消息幀中指定了需讀取的保持寄存器的起始地址和數(shù)目。而保持寄存器中各地址的具體內(nèi)容和意義，則由設(shè)備開發(fā)者自行規(guī)定。

查詢報(bào)文

在查詢報(bào)文中，必須指定保持寄存器的開始地址和需讀取的寄存器數(shù)量。起始位置由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF；寄存器數(shù)量由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00010x007D（即十進(jìn)制1~255），即最多可以連續(xù)讀取125個(gè)寄存器。

有一點(diǎn)特別需要注意，Modbus的保持寄存器和輸入寄存器是以字（Word）為基本單位的（1Word=2byte），所以，如果讀取保持寄存器地址為40001開始的一個(gè)16位（bit）的無符號(hào)數(shù)，那么返回2個(gè)字節(jié)（byte），并可以從40002開始讀取下一個(gè)16位的無符號(hào)數(shù)。如果需讀取寄存器地址40001開始的是一個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)，則需要返回4個(gè)字節(jié)，即必須連續(xù)讀取40001和40002的內(nèi)容，而且下一個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)必須從40003開始讀取。對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)（或者32位的整數(shù)）而言，連續(xù)讀取的兩個(gè)寄存器之間存在字節(jié)序和大小端的問題，這一點(diǎn)在開發(fā)時(shí)必須引起注意。

04（0x04）讀取輸入寄存器值

功能說明

同功能碼03類似，該功能碼用于讀取從設(shè)備輸入寄存器的內(nèi)容，不支持廣播模式。消息幀中指定了需讀取的輸入寄存器的起始地址和數(shù)目。而輸入寄存器中各地址的具體內(nèi)容和意義，則由設(shè)備開發(fā)者自行規(guī)定。

查詢報(bào)文

在查詢報(bào)文中，必須指定輸入寄存器的起始地址和需讀取的寄存器數(shù)量。

本功能碼中，起始地址由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF；寄存器數(shù)量由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00010x007D（即十進(jìn)制1~125），即最多可以連續(xù)讀取125個(gè)寄存器。

同樣有一點(diǎn)需要注意，Modbus的保持寄存器和輸入寄存器是以字為基本單位的。所以對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)（或32為的整數(shù)）而言，連續(xù)讀取的兩個(gè)寄存器之間存在字節(jié)序和大小端的問題。

05（0x05）寫單個(gè)線圈或單個(gè)離散輸出

功能說明

用于將單個(gè)線圈寄存器（或離散輸入）設(shè)置為ON或OFF，該功能碼支持廣播模式,在廣播模式下，所有從站設(shè)備的同一地址的值將被統(tǒng)一修改，查詢報(bào)文中的ON或OFF狀態(tài)由報(bào)文數(shù)據(jù)字段的常熟指定，0xFF00表示ON狀態(tài)，0x0000表示OFF狀態(tài)。其他所有值均是非法的，并且對(duì)寄存器不起作用，將會(huì)返回異常相應(yīng)。

查詢報(bào)文

本功能碼中，起始地址由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x0000~0xFFFF；變更目標(biāo)數(shù)據(jù)由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值只能為0xFF00或0x0000.

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在線圈或離散輸出寄存器正常變更的情況下，則返回于查詢報(bào)文一樣的響應(yīng)報(bào)文。如果修改失敗，則返回一個(gè)異常響應(yīng)。

06（0x06）寫單個(gè)保持寄存器

用于更新從設(shè)備的單個(gè)保存寄存器的值。該功能嗎支持廣播模式，在廣播模式下，所有設(shè)備的同一地址的值將被統(tǒng)一修改。

查詢報(bào)文

查詢報(bào)文中需要指定從設(shè)備地址以及需要變更的保持寄存器地址和設(shè)定的值。同樣需要注意的是，查詢報(bào)文中，寄存器地址從地址0開始技術(shù)。

本功能碼中，起始地址由2個(gè)字符構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF；變更目標(biāo)數(shù)據(jù)由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF。

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在保持寄存器正常變更的情況下，則返回于查詢報(bào)文一樣的響應(yīng)報(bào)文。如果修改失敗，則返回一個(gè)異常返回。

08（0x08）診斷功能

功能說明

該功能碼僅用于串行鏈路，主要用于檢測(cè)主設(shè)備和從設(shè)備之間的通信故障，或檢測(cè)從設(shè)備的各種內(nèi)部故障，該功能碼不支持廣播。為了區(qū)別各診斷類型，查詢報(bào)文中提供了2各字節(jié)的子功能碼字段。

通常在正常的響應(yīng)報(bào)文中，從設(shè)備將鴛鴦回復(fù)功能碼和子功能碼。

查詢報(bào)文

查詢報(bào)文中需要指定從設(shè)備地址、功能碼以及子功能碼。

例如，表4-15中表示了子功能碼“原樣返回查詢數(shù)據(jù)”的診斷功能，其中子功能碼為0（0x0000）。在子功能碼0x0000的情況下，數(shù)據(jù)字段可以為任意值。

本功能碼中，子功能碼由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值則根據(jù)意義不同；數(shù)據(jù)字段由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，其取值由子功能碼確定。

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在保持寄存器正常變更的情況下，則返回與查詢報(bào)文一樣的響應(yīng)報(bào)文。如果修改失敗，則返回一個(gè)異常響應(yīng)。

診斷子功能碼

各常用診斷子功能碼定義如下：

1. Return Query Data（00）

診斷內(nèi)容	原樣返回查詢報(bào)文
子功能碼	0x00，0x00
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	任意16位數(shù)據(jù)
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	同查詢報(bào)文

1. Restart Communications Option（01）

診斷內(nèi)容	重啟通信選項(xiàng) 用于初始化并重新啟動(dòng)從站設(shè)備，清除所有通信事件計(jì)數(shù)器。 如果端口處于Listen Only Mode下，不返回響應(yīng)；否則在重啟之前返回響應(yīng)
子功能碼	0x00，0x01
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00 保持事件記錄
	0xFF，0x00 清除事件記錄
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	同查詢報(bào)文

1. Return Diagnostics Register（02）

診斷內(nèi)容	返回診斷寄存器
子功能碼	0x00，0x02
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	診斷寄存器的內(nèi)容

1. Force Listen Only Mode（04）

診斷內(nèi)容	強(qiáng)制只聽模式 強(qiáng)制被尋址的從站設(shè)備進(jìn)入只聽模式，使得此設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備斷開，不返回響應(yīng)
子功能碼	0x00，0x0A
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)

1. Clear Counters and Diagnostic Register（10，0x0A）

診斷內(nèi)容	清除計(jì)數(shù)器和診斷寄存器
子功能碼	0x00，0x0A
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	同查詢報(bào)文

1. Return Bus Message Count（11，0x0B）

診斷內(nèi)容	返回總線報(bào)文計(jì)數(shù)
子功能碼	0x00，0x0B
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回報(bào)文的計(jì)數(shù)值

1. Return Bus Communication Error Count（12，0x0C）

診斷內(nèi)容	返回總線通信CRC差錯(cuò)計(jì)數(shù)
子功能碼	0x00，0x0C
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回報(bào)文的CRC出錯(cuò)總數(shù)

1. Return Bus Exception Error Count（13，0x0D）

診斷內(nèi)容	返回總線異常差錯(cuò)計(jì)數(shù)
子功能碼	0x00，0x0D
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回異常響應(yīng)的總數(shù)

1. Return Slave Message Count（14，0x0E）

診斷內(nèi)容	返回從站設(shè)備報(bào)文總數(shù)
子功能碼	0x00，0x0E
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回從站設(shè)備接收?qǐng)?bào)文總數(shù)

1. Return Slave No Response Count（15，0x0F）

診斷內(nèi)容	返回從站設(shè)備無響應(yīng)計(jì)數(shù)
子功能碼	0x00，0x0F
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回加電后沒有返回響應(yīng)的報(bào)文數(shù)量

1. Return Slave Busy Count（17，0x11）

診斷內(nèi)容	返回從站設(shè)備忙計(jì)數(shù)
子功能碼	0x00，0x11
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回加電后異常響應(yīng)忙的報(bào)文數(shù)量

1. Return Bus Character Overrun Count（18，0x12）

診斷內(nèi)容	返回總線字符超限的計(jì)數(shù)
子功能碼	0x00，0x12
查詢報(bào)文數(shù)據(jù)字段	0x00，0x00
響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)字段	返回超限的報(bào)文數(shù)量

11（0x0B）獲取通信事件計(jì)數(shù)器

功能說明

該功能碼主要用于獲取從設(shè)備通信計(jì)數(shù)器中的狀態(tài)字和事件計(jì)數(shù)的值，本功能不支持廣播模式。通過在通信報(bào)文之前和之后讀取通信事件計(jì)數(shù)值，可以確定從設(shè)備是否正常處理報(bào)文。

對(duì)于正常完成報(bào)文處理和傳輸?shù)膱?chǎng)合，事件計(jì)數(shù)器增加1；而對(duì)于異常響應(yīng)、輪詢命令或讀取事件計(jì)數(shù)器（即0x0B功能碼）的場(chǎng)合，則計(jì)數(shù)器不變。通過【0x08】診斷功能中的子功能碼【Restart Communiaction Option （0x01）】和【Clear Counters and Diagnostic Register（0x00A）】，可以復(fù)位事件寄存器。

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在正常情況下，響應(yīng)報(bào)文返回2個(gè)字節(jié)的狀態(tài)字和2個(gè)字節(jié)的事件計(jì)數(shù)。其中，如果從站設(shè)備處于忙狀態(tài)，那么狀態(tài)字將為0xFFFF，否則狀態(tài)字將為0x0000.

12（0x0C）獲取通信事件記錄

功能說明

該功能碼主要用于從從設(shè)備獲取轉(zhuǎn)狀態(tài)字、事件計(jì)數(shù)、報(bào)文計(jì)數(shù)以及事件字節(jié)字段。其中狀態(tài)字和事件計(jì)數(shù)與功能碼11（0x0B）獲取的值一致。

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從站設(shè)備，在正常情況下響應(yīng)報(bào)文包括一個(gè)2字節(jié)狀態(tài)字字段、一個(gè)2字節(jié)事件計(jì)數(shù)字段、一個(gè)2字節(jié)消息計(jì)數(shù)字段以及0~64個(gè)字節(jié)的事件字段。因?yàn)槭录�字段是變長(zhǎng)的，所以增加了一個(gè)1字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字段，以方便讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)。

15（0x0F）寫多個(gè)線圈

功能說明

該功能碼，用于將連續(xù)的多個(gè)線圈或離散輸出設(shè)置為ON/OFF狀態(tài)，支持廣播模式，在廣播模式下，所有從站設(shè)備的同一地址被統(tǒng)一修改。本功能碼中，起始地址字段由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF；而寄存器數(shù)量字段由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00010x07B0.

查詢報(bào)文

查詢報(bào)文中，包含了請(qǐng)求數(shù)據(jù)字段，用于定義ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)字段中為邏輯1的位對(duì)應(yīng)ON；邏輯0的位對(duì)應(yīng)OFF。其中，ON/OFF與數(shù)據(jù)字段的對(duì)應(yīng)關(guān)系可參考“01（0x01）讀取線圈/離散量輸出狀態(tài)”中的內(nèi)容

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在正常情況下響應(yīng)報(bào)文包括功能碼、起始地址以及寫入的線圈數(shù)量。

16（0x10）寫多個(gè)保持寄存器

功能說明

該功能碼用于設(shè)置或?qū)懭霃脑O(shè)備保持寄存器的多個(gè)連續(xù)的地址塊（1123個(gè)寄存器），支持廣播模式，在廣播模式下，所有從站設(shè)備的同一地址的值將被統(tǒng)一修改。本功能碼中，起始地址字段由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x00000xFFFF；而寄存器數(shù)量字段由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，取值范圍為0x0001~0x007B。

查詢報(bào)文

查詢報(bào)文中，包含了請(qǐng)求數(shù)據(jù)字段。數(shù)據(jù)字段保存需寫入的數(shù)值，各數(shù)據(jù)按每個(gè)寄存器2個(gè)字節(jié)存放。

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在正常情況下響應(yīng)報(bào)文包括功能碼、起始地址以及寫入的寄存器數(shù)量。

在實(shí)際開發(fā)過程中，功能碼“16（0x10）寫多個(gè)寄存器”常常用于方便用戶寫入多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)。

17（0x11）報(bào)告從站ID（僅用于串行鏈路）

功能說明

該功能碼用于讀取從站設(shè)備的ID、類型描述、當(dāng)前狀態(tài)以及其他信息，不支持廣播模式。響應(yīng)消息的構(gòu)成依賴于設(shè)備而不同。

響應(yīng)報(bào)文

對(duì)于從設(shè)備，在正常情況下響應(yīng)報(bào)文包括從站ID、運(yùn)行狀態(tài)以及其他附加信息。響應(yīng)報(bào)文的組成由開發(fā)者決定。

Modbus異常響應(yīng)

以上介紹了一些常見的公共功能碼的報(bào)文（消息幀）構(gòu)成，對(duì)于廣播模式以外的查詢報(bào)文，都希望能夠獲取一個(gè)正常的響應(yīng)報(bào)文。在通常的情況下，從站設(shè)備將返回一個(gè)正常響應(yīng)報(bào)文，但是，在某些特殊情況下，將返回異常響應(yīng)報(bào)文。對(duì)于查詢報(bào)文，存在以下4中處理反饋：

• 正常接收，正常處理，返回正常響應(yīng)報(bào)文;
• 因?yàn)橥ㄐ佩e(cuò)誤等原因，造成從站設(shè)備沒有接收到查詢報(bào)文，主站設(shè)備將按超時(shí)處理；
• 從站設(shè)備接收到的查詢報(bào)文存在通信錯(cuò)誤（例如LRC、CRC錯(cuò)誤等），此時(shí)從站設(shè)備將丟棄報(bào)文不響應(yīng)，主站設(shè)備將按超時(shí)處理；
• 從站設(shè)備接收到正確的報(bào)文，但是超過處理范圍（例如，不存在的功能碼或者寄存器等），此時(shí)從站設(shè)備將返回包括異常碼（Exception Code）的響應(yīng)報(bào)文。

異常響應(yīng)報(bào)文由從站地址、功能碼以及異常碼構(gòu)成。其中，功能碼與正常響應(yīng)報(bào)文不同，在異常響應(yīng)報(bào)文中，功能碼最高位（即MSB）被設(shè)置為1.因?yàn)镸odbus協(xié)議中功能碼占用一個(gè)字節(jié)，故用表達(dá)式描述為：異常功能碼=正常功能碼+0x80.

常見的異常碼說明

異常碼	名稱	說明
01	非法功能碼	從站設(shè)備不支持此功能碼
02	非法數(shù)據(jù)地址	指定的數(shù)據(jù)地址在從站設(shè)備中不存在
03	非法數(shù)據(jù)值	指定的數(shù)據(jù)超過范圍或者不允許使用
04	從站設(shè)備故障	從站設(shè)備處理響應(yīng)的過程中，出現(xiàn)未知錯(cuò)誤等