Modbus通讯协议的报文格式根据传输模式(RTU/ASCII/TCP)存在显著差异，以下依据资料进行系统化阐述，涵盖核心结构、字段定义及功能码关联性：
一、Modbus协议基础架构
Modbus采用主从式通信模型(Master/Slave)，主设备(如SCADA系统)发起请求，从设备(如PLC、传感器)响应。协议通过功能码指定操作类型，支持四种寄存器访问：
- 线圈（Coils） ：1位读写，控制输出设备(如继电器)
- 离散输入（Discrete Inputs） ：1位只读，采集开关状态
- 保持寄存器（Holding Registers） ：16位读写，存储设备参数
- 输入寄存器（Input Registers） ：16位只读，采集模拟量数据
二、报文格式详解（按传输模式分类）
1. Modbus RTU模式（二进制传输）
适用场景：RS-485/RS-232串行通信，高传输效率，工业现场常用。
报文结构(顺序排列)：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 设备地址 | 1字节 | 从站地址（0-247），0为广播地址 |
| 功能码 | 1字节 | 指定操作类型（如01读线圈、03读保持寄存器） |
| 数据域 | 可变长 | 含起始地址、数据数量或写入值（结构依功能码而定） |
| CRC校验 | 2字节 | 循环冗余校验（CRC-16），校验范围：地址+功能码+数据域 |
示例报文(十六进制)：
读取线圈请求：01 01 00 00 00 0A
01：从站地址1
01：功能码(读线圈)
00 00：起始地址0
00 0A：读取10个线圈
CRC需独立计算附加
2. Modbus ASCII模式（文本可读格式）
适用场景：调试场景，数据量小且需人工解析。
报文结构：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 起始符 | 1字符 | 固定为冒号 :（ASCII值0x3A） |
| 地址 | 2字符 | 从站地址的十六进制ASCII表示（如”01″） |
| 功能码 | 2字符 | 功能码的十六进制ASCII表示（如”03″） |
| 数据域 | N×2字符 | 每字节数据用两个ASCII字符表示（如寄存器值”00FF”） |
| LRC校验 | 2字符 | 纵向冗余校验（LRC），校验范围：地址+功能码+数据域 |
| 结束符 | 2字符 | 固定为回车换行 CR/LF（ASCII值0x0D 0x0A） |
示例报文：
:01030000000A45
01：地址1 → 二进制0x01
03：功能码03(读保持寄存器)
0000：起始地址0
000A：读取10个寄存器
45：LRC校验值
3. Modbus TCP模式（以太网传输）
适用场景：TCP/IP网络(如工业以太网)，无物理层校验(依赖TCP校验)。
报文结构：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 事务标识符 | 2字节 | 请求/响应对的唯一标识（主设备生成，从设备原样返回） |
| 协议标识符 | 2字节 | 固定为 0x0000（表示Modbus协议） |
| 长度字段 | 2字节 | 后续字段总字节数（含单元标识符+功能码+数据） |
| 单元标识符 | 1字节 | 从站地址（兼容串行设备，TCP中通常保留） |
| 功能码 | 1字节 | 同RTU/ASCII模式功能码 |
| 数据域 | 可变长 | 同RTU模式结构 |
示例报文(十六进制)：
00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 0A
00 01：事务ID
00 00：协议ID
00 06：后续6字节(01+03+00 00+00 0A)
01：单元地址1
03：功能码(读保持寄存器)
00 00：起始地址0
00 0A：读取10个寄存器
三、功能码与报文字段映射关系
功能码决定数据域结构，常见功能码及对应数据域：
| 功能码 | 名称 | 请求数据域结构 | 响应数据域结构 |
|---|---|---|---|
0x01 | 读线圈 | 起始地址(2B) + 线圈数量(2B) | 字节数(1B) + 线圈状态(N字节) |
0x02 | 读离散输入 | 起始地址(2B) + 输入数量(2B) | 字节数(1B) + 输入状态(N字节) |
0x03 | 读保持寄存器 | 起始地址(2B) + 寄存器数量(2B) | 字节数(1B) + 寄存器值(N×2字节) |
0x05 | 写单个线圈 | 线圈地址(2B) + 值(2B，FF00/0000) | 同请求（地址+值回显） |
0x06 | 写单个寄存器 | 寄存器地址(2B) + 值(2B) | 同请求（地址+值回显） |
0x10 | 写多个寄存器 | 起始地址(2B) + 数量(2B) + 字节数(1B) + 值(N×2B) | 起始地址(2B) + 写入数量(2B) |
注：异常响应时功能码 = 请求功能码 + 0x80.数据域替换为异常码(如01=非法功能)。
四、协议特性对比
| 特性 | Modbus RTU | Modbus ASCII | Modbus TCP |
|---|---|---|---|
| 传输效率 | 高（二进制） | 低（文本冗长） | 高（无额外校验） |
| 校验机制 | CRC-16 | LRC | 依赖TCP校验 |
| 调试便利性 | 需专用工具 | 可直接阅读 | 需网络抓包工具 |
| 适用场景 | 工业现场串行链路 | 低速调试环境 | 以太网/物联网 |
五、设计要点与局限性
地址范围限制：
串行模式最大支持247个从站(TCP无此限制)
寄存器地址范围通常为0-65535(16位寻址)
数据对齐：
多寄存器写入时数据长度需对齐(如0x10功能码需指定字节数)
安全性缺陷：
无原生加密/认证机制(需依赖VPN或物理隔离)
实时性约束：
RTU模式依赖3.5字符静默时间分隔报文
结论：Modbus报文格式的核心差异体现在封装方式(RTU/ASCII/TCP头)、校验算法(CRC/LRC/TCP)及数据编码(二进制/ASCII)。实际应用中需根据物理层、调试需求及网络环境选择协议变体，并严格遵循功能码定义的数据域结构。
