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单片机基础知识（协议篇）--Modbus RTU

news 2026/8/5 7:49:55

Modbus RTU 功能码完整详解 + 报文实例

Modbus RTU 采用二进制串行协议，主从问答机制，所有报文无起始/结束标记，依靠3.5字符静默间隔区分帧。

通用帧基础结构（所有功能码共用头部）
从站地址(1B) + 功能码(1B) + 数据域 + CRC校验(2B，低字节在前)

前置概念区分（重中之重，避免混淆）

  1. 线圈 Coil：1位，0/1，读写；俗称开关量、DO/DI
  2. 离散输入 Discrete Input：1位，只读；DI
  3. 保持寄存器 Holding Register：16位，读写；最常用，模拟量输出、参数
  4. 输入寄存器 Input Register：16位，只读；AI采集值

地址惯例（行业通用）

  • 00001~09999：线圈（读写）
  • 10001~19999：离散输入（只读）
  • 30001~39999：输入寄存器（只读）
  • 40001~49999：保持寄存器（读写）

协议报文内偏移地址从0开始！40001寄存器 = 报文地址0000

标准常用功能码列表

01H 读线圈 Read Coils

作用：读取多个线圈（1bit，0/1），读写型开关量

请求报文格式

从站功能码起始地址(2B)读取数量(2B)CRC
1B01AddrHi AddrLoNumHi NumLoCRC Lo,CRC Hi

响应报文格式

从站功能码字节长度NN字节线圈数据CRC

线圈按bit打包，低位对应低地址线圈；不足8位高位补0

实例

需求：1号从站，读取线圈0~6（共7个线圈）
请求：01 01 00 00 00 07 7C 08

  • 01：从站地址1
  • 01：功能码01
  • 00 00：起始地址0（线圈00001）
  • 00 07：读取7个线圈
  • 7C 08：CRC

假设返回线圈状态：线圈0=1，线圈1=0，线圈2=1，线圈3=1，线圈4=0，线圈5=0，线圈6=1
bit排布：bit0(线圈0) ~ bit6(线圈6) →0101101→ 0x2D
响应报文：01 01 01 2D 54 0F

  • 01：从站
  • 01：功能码
  • 01：后续数据长度1字节
  • 2D：线圈bit数据
  • 54 0F：CRC

02H 读离散输入 Read Discrete Inputs

作用：读取只读开关量（DI），1bit，不可写
报文结构与01H完全一致，仅功能码不同。

实例：1号从站读取离散输入地址0~3（4点DI）
请求：01 02 00 00 00 04 79 F9

03H 读保持寄存器 Read Holding Registers ⭐最常用

作用：读取保持寄存器（16位，读写），参数、模拟输出
请求格式
|从站|03|起始地址(2B)|寄存器数量(2B)|CRC|

响应格式
|从站|03|字节长度|寄存器数据（2字节/个）|CRC|

实例

需求：1号从站，读取40001、40002寄存器（偏移地址0，数量2）
请求报文：01 03 00 00 00 02 94 0B

  • 01 从站1
  • 03 读保持寄存器
  • 00 00 起始偏移0（40001）
  • 00 02 读取2个寄存器

响应：寄存器0=0x0A01，寄存器1=0x00C8
响应报文：01 03 04 0A 01 00 C8 FB 54

  • 04：4字节数据（2个寄存器 ×2）
  • 0A 01：寄存器0
  • 00 C8：寄存器1

04H 读输入寄存器 Read Input Registers

作用：读取只读16位输入寄存器（AI模拟采集）
报文结构与03H完全相同，仅功能码04。
实例：1号从站读取30001（偏移0）1路AI
请求：01 04 00 00 00 01 31 84

05H 写单个线圈 Write Single Coil

作用：单点开关输出，置线圈ON/OFF
请求：
|从站|05|线圈地址(2B)|强制值(2B)|CRC|

ON=FF 00；OFF=00 00；其他值非法

实例

1号从站，线圈0（00001）置ON
请求：01 05 00 00 FF 00 8C 3A
正常情况下从站原样回复这条报文作为应答。

线圈0置OFF：01 05 00 00 00 00 CD CA

06H 写单个保持寄存器 Write Single Register ⭐高频使用

作用：写入1个16位保持寄存器
请求格式
|从站|06|寄存器地址(2B)|写入数值(2B)|CRC|
从站正常应答：原样返回请求帧

实例

1号从站，40001（偏移0）写入数值0x1234
请求报文：01 06 00 00 12 34 A3 91
从站成功则直接返回：01 06 00 00 12 34 A3 91

0FH (15) 写多个线圈 Write Multiple Coils

作用：批量写多个开关量线圈
请求：
|从站|0F|起始地址(2B)|线圈数量(2B)|数据字节长度N|N字节bit数据|CRC|

实例：1号从站，线圈0~2共3个线圈：线圈0=1，线圈1=0，线圈2=1
请求：01 0F 00 00 00 03 01 05 26 94

  • 0003：3个线圈
  • 01：数据长度1字节
  • 05 → bit0=1 bit1=0 bit2=1
    成功应答只返回：01 0F 00 00 00 03 54 05

10H (16) 写多个保持寄存器 Write Multiple Registers ⭐高频

作用：批量写入一组保持寄存器
请求格式
|从站|10|起始地址(2B)|寄存器数量(2B)|数据字节长度|寄存器数据|CRC|

实例

1号从站，偏移地址0、1两个寄存器，分别写入0x0001、0x0002
请求：01 10 00 00 00 02 04 00 01 00 02 74 17
解析：

  • 0002：2个寄存器
  • 04：4字节数据
  • 00 01 / 00 02 两个寄存器值
    成功应答：01 10 00 00 00 02 10 08

扩展功能码（工业设备偶尔用到）

07H 读异常状态（极少用）

08H 诊断功能码（线路测试）

子功能00：返回查询报文；用于通讯链路测试
示例：01 08 00 00 00 00 C0 7B

11H (17) 报告从站ID

读取从站设备型号、版本信息，很多国产设备不支持。

17H (23) 读写多个寄存器（组合功能）

合并指令：先读一批寄存器，同时写入另一批寄存器
一次问答完成读+写，减少总线轮询次数。

异常响应格式（所有功能码通用）

通讯出错、地址越界、非法功能码时，从站返回异常帧：
从站地址 | 功能码+0x80 | 异常码 | CRC

常见异常码：

  • 01：非法功能码
  • 02：非法数据地址（寄存器/线圈不存在）
  • 03：非法数据值
  • 04：从站设备故障
  • 06：从站忙，请重试

示例：访问不存在寄存器，03功能码异常响应
01 83 02 C0 F1
01=从站；83=03+0x80；02=非法地址

快速选型建议（开发直接参考）

  1. 单点模拟量写入 →06H
  2. 多点寄存器批量写入 →10H
  3. 读取参数寄存器 →03H
  4. AI采集只读输入寄存器 →04H
  5. 单个继电器输出 →05H
  6. 多路继电器批量控制 →0FH
  7. DI只读开关采集 →02H
  8. 可读写开关采集 →01H

二、完整报文

  1. 一份可直接复制到串口调试工具的全部功能码测试报文清单
  2. Modbus RTU CRC16简易计算代码（C语言）
  3. 区分「寄存器地址偏移」和「40001标准地址」的常见踩坑汇总

Modbus RTU 配套资料合集

一、全套可直接复制串口调试工具测试报文（RTU，带CRC）

使用说明：串口工具选择HEX发送，间隔 ≥3.5字符（9600波特约4ms）
从站地址统一使用01（1号从站）

1. 01H 读线圈 Read Coils

需求：读取线圈06（7个线圈，0000100007）
请求：01 01 00 00 00 07 7C 08

2. 02H 读离散输入 Read Discrete Inputs

需求：读取DI地址03（4点，1000110004）
请求：01 02 00 00 00 04 79 F9

3. 03H 读保持寄存器 Read Holding Registers

需求：读取40001、40002（偏移0，2个寄存器）
请求：01 03 00 00 00 02 94 0B

4. 04H 读输入寄存器 Read Input Registers

需求：读取30001（偏移0，1路AI）
请求：01 04 00 00 00 01 31 84

5. 05H 写单个线圈 Write Single Coil

线圈0（00001）置ON：01 05 00 00 FF 00 8C 3A
线圈0（00001）置OFF：01 05 00 00 00 00 CD CA

6. 06H 写单个保持寄存器 Write Single Register

40001写入 0x1234：01 06 00 00 12 34 A3 91

7. 0FH (15) 写多个线圈 Write Multiple Coils

线圈0/1/2：1、0、1
请求：01 0F 00 00 00 03 01 05 26 94

8. 10H (16) 写多个保持寄存器 Write Multiple Registers

偏移0写入0x0001，偏移1写入0x0002
请求：01 10 00 00 00 02 04 00 01 00 02 74 17

9. 08H 诊断测试（回显测试）

链路测试，从站原样返回数据
请求：01 08 00 00 00 00 C0 7B

10. 异常报文参考（访问不存在寄存器）

主站发送：01 03 01 00 00 01 84 0A
预期从站异常应答：01 83 02 C0 F1

二、Modbus CRC16 标准C语言代码（嵌入式直接使用）

多项式：0xA001；输出CRC低字节在前（RTU标准）

#include<stdint.h>// Modbus CRC16 计算uint16_tModbus_CRC16(uint8_t*data,uint16_tlen){uint16_tcrc=0xFFFF;uint16_ti,j;for(i=0;i<len;i++){crc^=data[i];for(j=0;j<8;j++){if(crc&0x0001){crc>>=1;crc^=0xA001;}else{crc>>=1;}}}returncrc;}/* 使用示例 uint8_t buf[] = {0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x02}; uint16_t crc = Modbus_CRC16(buf, sizeof(buf)); // RTU帧拼接：原数组 + crc低字节 + crc高字节 */

三、高频踩坑汇总（寄存器地址最大误区）

1. 地址两套体系区分【重中之重】

1）PLC/组态软件显示地址（用户地址）

  • 00001 线圈
  • 10001 离散输入
  • 30001 输入寄存器
  • 40001 保持寄存器

2）Modbus报文内偏移地址（协议原始地址，从0开始）

  • 40001 → 报文地址 =0x0000
  • 40002 → 报文地址 =0x0001

❌ 新手最常错：直接把40001填入报文，导致访问40002寄存器！

2. 字节序问题

Modbus寄存器内部：高字节在前
寄存器0x1234 在报文中：12 34

注意：浮点数（32bit）需要额外区分AB/CD、BA/DC等大小端，协议本身不规定。

3. CRC顺序

RTU CRC：低字节先发，高字节后发
例如CRC=0x940B → 报文追加0B 94

4. 线圈bit排布规则

01H/0FH多个线圈：字节bit0 = 起始地址线圈
示例：1字节数据0x05→ bit0=1，bit1=0，bit2=1

5. 功能码异常响应规则

正常响应 = 原功能码
出错响应 = 原功能码 | 0x80（最高位置1）
异常码说明：

异常码含义
01非法功能码
02非法数据地址（寄存器不存在）
03非法数据值
04从站设备故障
06从站忙，稍后重试

6. 读写数量上限

  • 01H/02H：最多2008个点位
  • 03H/04H：最多125个寄存器
  • 0FH：最多2008线圈
  • 10H：最多123寄存器
    超出上限直接返回异常码02

四、补充实用小工具建议

  1. 串口调试推荐：Modbus Poll（主站仿真）、Modbus Slave（从站仿真），直接粘贴上述报文测试；
  2. 在线CRC计算器：搜索Modbus CRC16 A001，快速校验报文。

三、STM32裸机Modbus RTU从站极简框架代码

补充交付：STM32 Modbus RTU 从站极简裸机框架 + Excel速查表文本版

一、Excel可直接粘贴的Modbus RTU功能码速查表

复制下面整块内容，粘贴进ExcelA1单元格，自动分列（制表符分隔）

功能码 名称 英文名称 访问对象 读写属性 单次最大数量 典型用途 01H 读线圈 Read Coils 线圈(0xxxx) 读 2008点 多路开关输出状态读取 02H 读离散输入 Read Discrete Inputs 离散输入(1xxxx) 只读 2008点 DI无源开关采集 03H 读保持寄存器 Read Holding Registers 保持寄存器(4xxxx) 读 125个 读取参数、设定值 04H 读输入寄存器 Read Input Registers 输入寄存器(3xxxx) 只读 125个 AI模拟量采集 05H 写单个线圈 Write Single Coil 线圈(0xxxx) 写 1点 继电器单点开关 06H 写单个保持寄存器 Write Single Register 保持寄存器(4xxxx) 写 1个 单参数下发 08H 诊断 Diagnostics 链路诊断 - - 通讯测试、故障排查 0FH(15) 写多个线圈 Write Multiple Coils 线圈(0xxxx) 写 2008点 批量继电器控制 10H(16) 写多个保持寄存器 Write Multiple Registers 保持寄存器(4xxxx) 写 123个 批量参数下发 11H(17) 报告从站ID Report Slave ID 设备信息 只读 - 读取设备型号固件 17H(23) 读写寄存器 Read/Write Multiple Registers 保持寄存器(4xxxx) 读写 读125/写121 一问一答同时读写

二、STM32裸机 Modbus-RTU 从站极简框架（标准库，可直接移植）

适配USART1，9600 8N1；依靠串口空闲中断识别RTU帧；仅实现最常用：03/06/10功能码，可自行扩展01/02/05/0F
硬件：RS485 DE/RE引脚 PA0（高电平发送，低电平接收）

1. 头文件 modbus_rtu.h

#ifndef__MODBUS_RTU_H#define__MODBUS_RTU_H#include"stm32f10x.h"#include<stdint.h>#defineMODBUS_SLAVE_ADDR0x01//从站地址#defineMODBUS_REG_NUM100//保持寄存器总数externuint16_tHoldingReg[MODBUS_REG_NUM];//保持寄存器数组voidModbus_USART_Init(uint32_tbaud);voidModbus_ProcessFrame(uint8_t*buf,uint16_tlen);uint16_tModbus_CRC16(uint8_t*data,uint16_tlen);#endif

2. 源文件 modbus_rtu.c

#include"modbus_rtu.h"uint8_ttx_buf[256];uint16_tHoldingReg[MODBUS_REG_NUM]={0};//CRC16 标准函数uint16_tModbus_CRC16(uint8_t*data,uint16_tlen){uint16_tcrc=0xFFFF;uint16_ti,j;for(i=0;i<len;i++){crc^=data[i];for(j=0;j<8;j++){if(crc&0x0001){crc>>=1;crc^=0xA001;}elsecrc>>=1;}}returncrc;}//485发送使能staticvoidRS485_TX_EN(uint8_ten){if(en)GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);elseGPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);}//串口发送数据staticvoidUSART_SendDataBuf(uint8_t*buf,uint16_tlen){RS485_TX_EN(1);uint16_ti;for(i=0;i<len;i++){USART_SendData(USART1,buf[i]);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);}while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);RS485_TX_EN(0);}//发送异常响应staticvoidSendErrResp(uint8_tslave,uint8_tfunc,uint8_terr_code){uint8_tframe[5];uint16_tcrc;frame[0]=slave;frame[1]=func|0x80;frame[2]=err_code;crc=Modbus_CRC16(frame,3);frame[3]=crc&0xFF;frame[4]=(crc>>8)&0xFF;USART_SendDataBuf(frame,5);}//帧解析处理核心voidModbus_ProcessFrame(uint8_t*buf,uint16_tlen){uint8_tslave_addr=buf[0];uint8_tfunc_code=buf[1];uint16_tstart_addr,reg_num,crc_rx,crc_calc;uint16_ti,tx_len=0;//校验CRCcrc_rx=(buf[len-1]<<8)|buf[len-2];crc_calc=Modbus_CRC16(buf,len-2);if(crc_rx!=crc_calc)return;//非本机从站地址，丢弃if(slave_addr!=MODBUS_SLAVE_ADDR)return;start_addr=(buf[2]<<8)|buf[3];switch(func_code){//03 读保持寄存器case0x03:reg_num=(buf[4]<<8)|buf[5];if((start_addr+reg_num)>MODBUS_REG_NUM||reg_num==0||reg_num>125){SendErrResp(slave_addr,func_code,0x02);return;}tx_buf[0]=slave_addr;tx_buf[1]=0x03;tx_buf[2]=reg_num*2;tx_len=3;for(i=0;i<reg_num;i++){tx_buf[tx_len++]=(HoldingReg[start_addr+i]>>8)&0xFF;tx_buf[tx_len++]=HoldingReg[start_addr+i]&0xFF;}break;//06 写单个寄存器case0x06:if(start_addr>=MODBUS_REG_NUM){SendErrResp(slave_addr,func_code,0x02);return;}HoldingReg[start_addr]=(buf[4]<<8)|buf[5];//应答直接返回原请求(去除接收CRC)for(i=0;i<6;i++)tx_buf[i]=buf[i];tx_len=6;break;//10 写多个寄存器case0x10:reg_num=(buf[4]<<8)|buf[5];if((start_addr+reg_num)>MODBUS_REG_NUM||reg_num==0||reg_num>123){SendErrResp(slave_addr,func_code,0x02);return;}uint8_tdata_len=buf[6];for(i=0;i<reg_num;i++){HoldingReg[start_addr+i]=(buf[7+i*2]<<8)|buf[8+i*2];}tx_buf[0]=slave_addr;tx_buf[1]=0x10;tx_buf[2]=buf[2];tx_buf[3]=buf[3];tx_buf[4]=buf[4];tx_buf[5]=buf[5];tx_len=6;break;default:SendErrResp(slave_addr,func_code,0x01);return;}//追加CRC校验uint16_tcrc=Modbus_CRC16(tx_buf,tx_len);tx_buf[tx_len++]=crc&0xFF;tx_buf[tx_len++]=(crc>>8)&0xFF;USART_SendDataBuf(tx_buf,tx_len);}//串口初始化 + 空闲中断voidModbus_USART_Init(uint32_tbaud){GPIO_InitTypeDef gpio_cfg;USART_InitTypeDef usart_cfg;NVIC_InitTypeDef nvic_cfg;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//PA0 485收发控制gpio_cfg.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;gpio_cfg.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;gpio_cfg.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&gpio_cfg);RS485_TX_EN(0);//PA9 TX PA10 RXgpio_cfg.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;gpio_cfg.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA,&gpio_cfg);gpio_cfg.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;gpio_cfg.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA,&gpio_cfg);usart_cfg.USART_BaudRate=baud;usart_cfg.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;usart_cfg.USART_StopBits=USART_StopBits_1;usart_cfg.USART_Parity=USART_Parity_No;usart_cfg.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;usart_cfg.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;USART_Init(USART1,&usart_cfg);//使能空闲中断、接收中断USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);USART_ITConfig(USART1,USART_IT_IDLE,ENABLE);USART_Cmd(USART1,ENABLE);nvic_cfg.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;nvic_cfg.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;nvic_cfg.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;nvic_cfg.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&nvic_cfg);}

3. 中断服务函数 usart1.c

#include"modbus_rtu.h"#defineREC_BUF_MAX128uint8_trec_buf[REC_BUF_MAX];uint16_trec_cnt=0;voidUSART1_IRQHandler(void){uint8_tch;if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=RESET){ch=USART_ReceiveData(USART1);if(rec_cnt<REC_BUF_MAX)rec_buf[rec_cnt++]=ch;}//空闲中断：一帧接收完成，调用解析if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE)!=RESET){USART_ReceiveData(USART1);//清除IDLE标志if(rec_cnt>4){Modbus_ProcessFrame(rec_buf,rec_cnt);}rec_cnt=0;}}

4. main.c调用示例

externuint16_tHoldingReg[];intmain(void){SystemInit();Modbus_USART_Init(9600);HoldingReg[0]=0x0001;//40001初始值HoldingReg[1]=0x0002;//40002初始值while(1){//后台任务}}

三、扩展说明 & 移植指引

  1. 如何增加01/02/05/0F功能码
    在Modbus_ProcessFrame的switch分支追加case，参照寄存器处理逻辑，增加线圈数组uint8_t CoilBuf[]；
  2. RTU 3.5字符间隔说明
    本框架使用串口空闲中断自动实现帧分隔，不需要定时器判断静默间隔，是嵌入式最常用方案；
  3. 常见移植修改点
  • 修改MODBUS_SLAVE_ADDR修改从站地址
  • 修改PA0为你硬件对应的485 DE/RE引脚
  • 更换USART只需修改串口寄存器与中断名
  1. 限制：最大接收长度REC_BUF_MAX=128，足够绝大多数工业场景
http://www.jsqmd.com/news/1331764/

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