从零吃透 Modbus 通信｜第 6 章：线圈功能码 05/0F 实现 Modbus‑TCP 基础入门

博客定位：扩展 Modbus 离散 IO 功能，完成 RTU 全部常用功能码；对比 RTU 与 TCP 差异，建立以太网 Modbus 认知，可直接发布 CSDN。

前言

前面章节我们完成保持寄存器（03/06/16）主机与从机、异常码、故障排查。在工业现场除了寄存器存储数值，还有大量开关量：继电器输出、光耦输入、阀门开关，Modbus 使用线圈 (Coil)与离散输入 (Discrete Input)处理开关信号。

很多教程只讲保持寄存器，跳过线圈功能码，实际 IO 板、PLC、继电器模块大量使用 05、0F 功能码。本章手写实现05 强制单线圈、0F 强制多线圈；同时简单介绍 Modbus‑TCP 协议，对比 RTU 与 TCP 的异同。

读完本章你将掌握：

1. 线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器四类对象区别
2. 05 功能码写单个线圈原理 + STM32 裸机代码
3. 0F 功能码批量写多个线圈原理 + STM32 裸机代码
4. 线圈位操作、字节打包、掩码处理工程实现
5. Modbus‑TCP 报文结构、和 RTU 的核心差异

<hr>

1 Modbus 四类存储对象完整区分

Modbus 协议定义 4 种独立地址空间，地址互相独立，不能混用，很多调试故障来源于混淆四类空间。

重点：线圈是按 bit 操作。8 个线圈打包成 1 个字节。低位代表低地址线圈。 例如 1 个字节：bit0 → 线圈地址 0；bit1 →线圈地址 1 … bit7 →线圈地址 7。

同样注意手册大多1 起始，代码数组下标使用0 起始，地址需要减 1。

<hr>

2 05 功能码：强制单个线圈（写单路开关输出）

2.1 协议帧格式

主机请求帧：

表格

线圈状态约定：

• 置 ON：0xFF 0x00
• 置 OFF：0x00 0x00

注意：不是写入 1 和 0！协议规定固定使用0xFF00代表打开，0x0000代表关闭。

从机正常应答：原样返回主机请求帧；参数非法返回异常帧。

2.2 从机线圈数据结构定义

#define COIL_MAX_NUM 16 //最大线圈数量，16路开关输出 uint8_t coil_buf[(COIL_MAX_NUM +7)/8]; //位存储，每字节存8路线圈 // 设置指定线圈 void Modbus_Coil_Set(uint16_t coil_addr, uint8_t val) { uint16_t byte_idx = coil_addr / 8; uint8_t bit_idx = coil_addr % 8; if(coil_addr >= COIL_MAX_NUM) return; if(val != 0) { coil_buf[byte_idx] |= (1<<bit_idx); } else { coil_buf[byte_idx] &= ~(1<<bit_idx); } } // 读取指定线圈状态 uint8_t Modbus_Coil_Get(uint16_t coil_addr) { uint16_t byte_idx = coil_addr /8; uint8_t bit_idx = coil_addr %8; if(coil_addr >= COIL_MAX_NUM) return 0; return (coil_buf[byte_idx] >> bit_idx) & 0x01; }

2.3 从机 05 功能码处理函数

uint8_t Slave_Write_Single_Coil(void) { uint16_t coil_addr; uint16_t coil_cmd; uint8_t tx_len=0; coil_addr = (rx_buf[2] <<8) | rx_buf[3]; coil_cmd = (rx_buf[4] <<8) | rx_buf[5]; //地址越界判断 if(coil_addr >= COIL_MAX_NUM) { Slave_Return_Exception(0x02); return 5; } //校验合法命令，只允许0xFF00或者0x0000 if(coil_cmd != 0xFF00 && coil_cmd !=0x0000) { Slave_Return_Exception(0x03); return 5; } //设置线圈状态 if(coil_cmd == 0xFF00) { Modbus_Coil_Set(coil_addr,1); //业务：可以在这里控制IO输出继电器 //Relay_ON(coil_addr); } else { Modbus_Coil_Set(coil_addr,0); //Relay_OFF(coil_addr); } //正常应答，原样返回请求帧 tx_buf[tx_len++] = SLAVE_ADDR; tx_buf[tx_len++] = 0x05; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[2]; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[3]; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[4]; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[5]; Modbus_Append_CRC(tx_buf,&tx_len); return tx_len; }

2.4 主机 05 发送函数

//写单个线圈：slave_addr从机地址，coil_addr线圈地址，val 1打开 0关闭 void Modbus_Master_Write_Single_Coil(uint8_t slave_addr,uint16_t coil_addr,uint8_t val) { tx_len =0; modbus_tx_buf[tx_len++] = slave_addr; modbus_tx_buf[tx_len++] =0x05; modbus_tx_buf[tx_len++] = (coil_addr>>8)&0xFF; modbus_tx_buf[tx_len++] = coil_addr &0xFF; if(val) { modbus_tx_buf[tx_len++] =0xFF; modbus_tx_buf[tx_len++] =0x00; } else { modbus_tx_buf[tx_len++] =0x00; modbus_tx_buf[tx_len++] =0x00; } Modbus_Append_CRC(modbus_tx_buf,&tx_len); rx_len =0; modbus_tick = HAL_GetTick(); USART_Send_Data(modbus_tx_buf,tx_len); }

3 0F 功能码：强制多线圈（批量写多路开关）

3.1 协议说明 0F 实现一次性批量设置多个线圈状态。

主机请求帧：从机地址 0x0F 起始地址高 起始地址低 线圈数量高 线圈数量低 字节数 N个字节数据 CRC低 CRC高

每一个 bit 代表一路线圈，字节最低 bit 对应线圈起始地址。

从机应答：返回：从机地址 +0x0F + 起始地址 2 字节 + 线圈数量 2 字节 +CRC。不返回线圈数据。

3.2 从机 0F 批量写线圈实现

uint8_t Slave_Write_Multi_Coil(void) { uint16_t start_addr = (rx_buf[2]<<8)|rx_buf[3]; uint16_t coil_num = (rx_buf[4]<<8)|rx_buf[5]; uint8_t byte_cnt = rx_buf[6]; uint16_t i; uint8_t bit_pos; uint8_t tx_len=0; //地址越界检查 if(start_addr + coil_num > COIL_MAX_NUM) { Slave_Return_Exception(0x02); return 5; } //字节数校验 uint8_t expect_byte = (coil_num +7)/8; if(byte_cnt != expect_byte) { Slave_Return_Exception(0x03); return 5; } //循环批量写入线圈 for(i=0; i< coil_num; i++) { uint8_t data_byte = rx_buf[7 + i/8]; bit_pos = i%8; uint8_t bit_val = (data_byte >> bit_pos) & 0x01; Modbus_Coil_Set(start_addr + i, bit_val); //业务层同步控制IO } //组装应答帧 tx_buf[tx_len++] = SLAVE_ADDR; tx_buf[tx_len++] = 0x0F; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[2]; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[3]; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[4]; tx_buf[tx_len++] = rx_buf[5]; Modbus_Append_CRC(tx_buf,&tx_len); return tx_len; }

常见踩坑：线圈数量不是 8 整数倍时，最后字节高位的无效 bit，设备需要忽略，不处理。

4 Modbus‑TCP 基础入门

4.1 RTU 与 TCP 对比

Modbus‑RTU：串口 485 物理层，帧尾携带 CRC 校验；一主多从；波特率控制通信速度。 Modbus‑TCP：以太网物理层，基于 TCP 协议，默认端口502。没有 CRC 校验，可靠性依靠 TCP。

Modbus‑TCP 报文头部增加MBAP 头（7 字节）MBAP 头结构：

后面紧跟 PDU（和 RTU 除去 CRC 的 PDU 完全一样）。

• 事务标识：主机自增序号，匹配请求应答；
• 协议标识：固定 0；
• 长度：后面字节总数量；
• 单元标识：相当于 RTU 的从机地址。

核心：Modbus‑TCP 的 PDU 部分，和 RTU 去掉 CRC 后的 PDU 一模一样，业务逻辑代码可以大量复用，只需要处理 MBAP 包头。

4.2 RTU 与 TCP 开发的区别

1. RTU 依靠 3.5 字符空闲判断帧结束；TCP 是流式字节流，依靠 MBAP 头长度字段解析完整帧。
2. RTU 需要 CRC 校验；TCP 不需要 CRC。
3. RTU 总线一问一答；TCP 可以建立长连接，支持多请求。

工程建议：已经写好的 RTU 功能码处理函数，移植 Modbus‑TCP 时，只需要剥离 CRC，增加 MBAP 包头解析，业务逻辑几乎不用改动。

5 线圈开发工程避坑总结

1. 05 功能码不是写入 1 和 0，必须使用 0xFF00/0x0000，很多新手这里出错。
2. 线圈是 bit 存储，注意字节内 bit 顺序，低位对应低线圈地址。
3. 批量写线圈 0F，线圈总数不是 8 倍数时，最后字节高位无效 bit 直接丢弃，不要写入。
4. 线圈地址同样区分手册 1 起始，代码 0 起始。 5.Modbus‑TCP 无 CRC，不要把 RTU 的 CRC 带到 TCP 报文中。

6 本章总结

1. 完整区分 Modbus 四类地址空间：线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器。

2. 实现 05 写单线圈、0F 批量写多线圈主机与从机代码，可以直接控制继电器开关量 IO。

3. 理解 bit 打包字节的处理逻辑，工业 IO 板开发必备。

4. 了解 Modbus‑TCP 报文 MBAP 头部，明白 RTU 与 TCP 的复用关系。