Modbus 学习笔记

Modbus 是什么

Modbus 于 1979 年由 Modicon（现施耐德）发布的主从式串行通信协议，运行在 OSI 模型的应用层。它开放、免费、实现简单，是工业现场 PLC、变频器、传感器的事实标准通信协议。上位机（PC/工控机）通常作为 Master（主站/客户端），主动轮询下位机设备。

有以下分类：

Modbus TCP 没有 CRC，是因为 TCP 层已经做了校验和与重传；而串口链路层不可靠，所以 RTU 必须自带 CRC。

数据传输的帧结构

在 OSI 七层参考模型中，帧（Frame）是数据链路层（第二层）的协议数据单元（PDU），也是该层的传送单位；它由帧头、数据部分和帧尾组成，用于在相邻节点之间传输数据。

RTU 帧

Modbus RTU 帧没有帧头、帧尾，通过时间间隔区分帧边界。其结构如下：

字节序：与数据域的大端序不同，CRC 校验码在报文中以小端模式 (Little-Endian) 发送，即低字节在前，高字节在后。

[从站地址 1B][功能码 1B][数据区 N B][校验 2B]   最少 4 字节

帧边界与定时规则

RTU 帧没有起始、结束字符，而是完全依赖时间间隔来区分报文。

• 起始帧：总线空闲时间达到至少 3.5 个字符的传输时间 (T 3.5) 后，接收到的第一个字节即被视为新帧的开始。
• 结束帧：CRC 校验码的最后一个字节传输完毕后，总线再次进入超过 T 3.5 的空闲状态，标志着本帧结束。
• 帧内连续性：一帧内部，字符之间的间隔必须小于 1.5 个字符的传输时间 (T 1.5)，以确保接收方将其识别为一个连续的帧

帧示例

下面以功能码 0x03（读保持寄存器）为例，展示请求与响应的完整帧结构。

主站请求（读取从站 0x01，起始地址 0x02 开始的 4 个寄存器）：

01 03 00 02 00 04 E5 C9

• 01：从站地址 = 1（目标设备，1–247，0x00 为广播）
• 03：功能码 = 读保持寄存器
• 00 02：起始地址 = 0x02（大端序）
• 00 04：寄存器数量 = 4（大端序）
• E5 C9：CRC-16 = 0xC9E5，按“低字节在前”存放为 E5 C9

从站响应：

01 03 08 00 00 00 37 00 00 00 00 60 13

• 01：从站地址 = 1（与请求一致）
• 03：功能码 = 读保持寄存器（与请求一致）
• 08：字节数 = 8，表示后续有 8 个字节的寄存器数据
• 00 00 00 37 00 00 00 00：4 个寄存器的具体值（每个 2 字节，大端序）
• 60 13：CRC-16 = 0x1360，按“低字节在前”存放为 60 13

TCP 帧

在 Modbus TCP 中，一个完整的数据帧被称为应用数据单元 (ADU)，由两部分拼接而成：

[事务标识 2B][协议标识 2B][长度 2B][单元标识 1B][功能码 1B][数据区 N B]
| MBAP Header(7B)                          | PDU

MBAP 报文头

长度字段不包含 MBAP 头自身的前 6 个字节，只计算它后面的内容。例如，长度值为 0x0006，意味着紧随其后的单元标识符（1 字节）+ PDU（5 字节）一共 6 个字节。

PDU（Protocol Data Unit）

数据域的长度和内容完全由功能码决定。例如，对于“读保持寄存器（0 x 03）”的请求，数据域通常包含起始地址（2 字节）和要读取的寄存器数量（2 字节）。

如果没有数据需要传递，该字段可以不存在。

帧示例

下面以功能码 0x03（读保持寄存器）为例，展示请求与响应的完整帧结构。

客户端请求 (读取从站地址 0x02 开始的 4 个寄存器)：

00 01 00 00 00 06 01 03 00 02 00 04

• 00 01：事务处理标识符 = 1
• 00 00：协议标识符 = Modbus
• 00 06：长度 = 6
• 01：单元标识符 = 1
• 03：功能码 = 读保持寄存器
• 00 02：起始地址 = 0x02
• 00 04：寄存器数量 = 4

服务器响应：

00 01 00 00 00 0B 01 03 08 00 00 00 37 00 00 00 00

• 00 01：事务处理标识符 = 1（与请求一致）
• 00 00：协议标识符 = Modbus（与请求一致）
• 00 0B：长度 = 11
• 01：单元标识符 = 1（与请求一致）
• 03：功能码 = 读保持寄存器
• 08：字节数 = 8，表示后续有 8 个字节的寄存器数据
• 00 00 00 37 00 00 00 00：4 个寄存器的具体值（每个 2 字节）

常用功能码

代码示例

以下示例基于 NModbus 的 3.0.83 版本。

dotnet add package NModbus --version 3.0.83

Modbus RTU 读取

串口 RTU 的核心是先创建并配置 SerialPort，再通过 new ModbusFactory().CreateRtuMaster 生成主站。

dotnet add package NModbus.Serial --version 3.0.83

using System.IO.Ports;
using NModbus;
using NModbus.Serial;

// 1. 创建并配置串口：波特率、数据位、校验、停止位必须与从站一致
var port = new SerialPort("COM1")
{
    BaudRate = 9600,
    Parity = Parity.None,
    DataBits = 8,
    StopBits = StopBits.One
};
// 打开串口
port.Open();

// 2. 基于串口创建 RTU 主站；using 保证 Dispose 时释放资源
using IModbusSerialMaster master = new ModbusFactory().CreateRtuMaster(port);

// 3. 读从站 1 的保持寄存器（功能码 0x03），起始地址 0，读 4 个
//    NModbus 内部自动完成 RTU 帧封装、CRC 计算与校验
ushort[] registers = await master.ReadHoldingRegistersAsync(1, 0, 4);

ReadHoldingRegisters(slaveId, startAddress, count) 直接映射到功能码 0x03，NModbus 会自动完成 RTU 帧的 CRC 计算与校验。

Modbus TCP 读取

TCP 场景下，先建立 TcpClient 连接，再通过 new ModbusFactory().CreateMaster(client) 创建主站。

using System.Net.Sockets;
using NModbus;

// 1. 创建 TCP 连接；502 是 Modbus TCP 标准端口
var client = new TcpClient();
await client.ConnectAsync("127.0.0.1", 502);

// 2. 基于 TcpClient 创建 TCP 主站
using IModbusMaster master = new ModbusFactory().CreateMaster(client);

// 3. 单元 ID 为 1，读保持寄存器，起始地址 0，读 4 个
//    NModbus 内部自动封装 MBAP 头
ushort[] registers = await master.ReadHoldingRegistersAsync(1, 0, 4);

ModbusIpMaster 会自动封装 MBAP 报文头，这里只需关心单元标识符、起始地址和数量。

轮询主循环骨架

Modubs 是请求 - 响应式协议，从站不会主动上报数据，需要主站自己按照固定的时间间隔，反复发起请求，以此持续获取设备状态，而这个过程就是轮询。

在下面的代码中，采用 while 循环 + CancellationToken 来控制轮询的生命周期，每次开始前检查一次取消信号。如果取消，就退出循环。

while (!_cts.Token.IsCancellationRequested)
{
    // 逐台设备处理，单台失败不影响其他设备
    foreach (var node in _nodes)
    {
        // 离线设备只尝试重连，只尝试重连，避免因为离线设备触发长时间的超时连接
        if (!node.Online) { await TryReconnectAsync(node); continue; }
        try
        {
            // 读取保持寄存器
            var regs = await _client.ReadHoldingRegistersAsync(
                node.Id, node.Addr, node.Count);
            // 解析寄存器返回的数据
            var data = Parse(node, regs);
            // 切回 UI 线程；内部需切回 UI 线程（Dispatcher.Invoke）
            UpdateUi(data);                
            node.LastOk = DateTime.Now;
        }
        catch
        {
            // 降级为离线，UI 显示“通讯中断”；下一轮走重连分支
            node.Online = false;           
        }
    }
	// 轮询周期；传入 token 保证取消时无需等满周期即可退出
    await Task.Delay(_pollIntervalMs, _cts.Token);
}