基于UART的PLC数据采集系统：完整指南与实例分析

从零构建工业级PLC数据采集系统：UART与Modbus RTU实战全解析

在一家老旧的注塑厂里，工程师老张正面对着一堆没有以太网口的西门子S7-200 PLC。老板要求实现“手机上看车间运行状态”，但他手头既不能换设备，预算又紧张。怎么办？

答案就藏在这看似过时的串口通信中——UART + Modbus RTU。这套组合虽然诞生于上世纪，却依然是今天工业现场最可靠、最经济的数据采集方案之一。

本文不讲空话，带你一步步搭建一个真正能用的PLC数据采集系统。我们会从硬件接线讲到软件协议，再到代码实现和常见坑点，全程基于真实工程场景，让你看完就能动手。

为什么是UART？不是Wi-Fi也不是CAN？

很多人觉得“串口”太老了，都2025年了还搞这个？但现实是：全国80%以上的中小型产线仍在使用支持Modbus RTU的PLC，它们稳定运行十年没问题，但就是没联网能力。

这时候你要么花几十万升级整套控制系统，要么用几百块钱加个串口网关。聪明的工程师都知道怎么选。

UART之所以至今不被淘汰，是因为它有几个无法替代的优势：

特性	实际意义
只需两根线（TX/RX）	布线简单，抗干扰强
支持长距离传输（配合RS-485）	最远可达1200米，适合工厂环境
硬件成本极低	一片MAX485芯片不到5元
几乎所有PLC都带串口	老设备也能轻松接入

更重要的是，它足够“傻瓜”——只要设置好波特率，发几个字节，就能读出温度、压力、电机状态等关键数据。

UART是怎么把数据传出去的？

别被名字吓到，“通用异步收发器”听起来高大上，其实原理非常直观。

想象两个人用手电筒打摩斯密码：一个人按节奏闪灯，另一个人盯着看并记录。他们之间没有同步表，全靠事先约定“每秒闪几次”——这就是异步通信的核心。

UART的工作方式类似：
1. 发送方先把并行数据（比如一个字节0x5A）拆成8位串行信号；
2. 加上起始位（低电平）、停止位（高电平），可能还有校验位；
3. 按固定速度（波特率）一位一位发出；
4. 接收方检测到起始位后，开始定时采样，还原原始数据。

一个典型的帧结构如下：

[起始位][D0][D1][D2][D3][D4][D5][D6][D7][奇偶校验][停止位] 1bit 8bits (可选) 1~2bits

最常见的配置是9600, 8, N, 1—— 意思是：
- 波特率：9600 bps（每秒传9600个比特）
- 数据位：8位
- 校验：无
- 停止位：1位

这个配置几乎通吃所有工业设备。如果你不确定该设什么，先试这个。

⚠️ 注意：通信双方必须完全一致！哪怕只差一个参数，就会收到一堆乱码。

如何让PLC“听话”？Modbus RTU协议详解

光有物理连接还不够，你还得知道“说什么话PLC才听得懂”。这就引出了工业界的“普通话”——Modbus RTU。

主从架构：谁问谁答

Modbus采用主从模式，只有一个“主站”可以发起请求，多个“从站”只能被动响应。比如你用树莓派做主站，去轮询3台PLC（从站地址分别为1、2、3）。

每次对话都是这样进行的：
1. 主站：“1号设备，把你保持寄存器第0个开始的2个数据发给我。”
2. 1号PLC：“好的，这是数据，CRC校验也附上了。”
3. 主站验证CRC无误，提取数据。
4. 然后问2号……以此类推。

如果某个设备没回应？主站等一会儿就超时放弃，继续下一个，不会卡住整个系统。

报文格式：像快递单一样清晰

每条Modbus RTU消息就像一张快递单，包含四个部分：

字段	长度	示例值	含义
从站地址	1字节	`0x02`	找哪台设备
功能码	1字节	`0x03`	要做什么（读/写）
数据区	N字节	`0x00,0x00,0x00,0x05`	参数或数值
CRC校验	2字节	`0x3F,0x4E`	数据完整性验证

举个例子：你想读地址为2的PLC，从寄存器0开始的3个保持寄存器，报文应该是：

02 03 00 00 00 03 [CRC_L] [CRC_H]

PLC收到后会返回：

02 03 06 [data1_H][data1_L][data2_H][data2_L][data3_H][data3_L] [CRC_L] [CRC_H]

其中06表示后面跟着6字节数据（3个寄存器 × 2字节/寄存器）。

关键细节：别让程序跑飞了

帧间隔 > 3.5字符时间
Modbus靠“静默时间”来判断一帧结束。例如在9600波特率下，每个字符约1ms，那么3.5字符就是3.5ms。发送完一帧后，至少要等这么久才能发下一帧。
CRC校验不可少
工业现场电磁干扰严重，没有CRC就像开车不系安全带。下面这段C代码几乎是所有Modbus项目的标配：

uint16_t modbus_crc16(uint8_t *buf, int len) { uint16_t crc = 0xFFFF; while (len--) { crc ^= *buf++; for (int i = 0; i < 8; i++) { if (crc & 1) { crc = (crc >> 1) ^ 0xA001; } else { crc >>= 1; } } } return crc; }

提示：这个函数在STM32、Arduino、Linux串口程序中都能直接用，建议收藏。

硬件怎么连？不怕烧板子的接线指南

很多初学者最怕的就是“一通电就冒烟”。其实只要搞清这几个关键点，接线很简单。

典型连接图（树莓派 + MAX485 + PLC）

[树莓派 GPIO] TX ──────────────┐ ├──→ DI [MAX485] GPIO18 (DE/RE) ──┤ RO ←─── RX ←── [PLC] └──→ RE/DE GND ──────────────── GND

说明：
-DI：数据输入（接树莓派TX）
-RO：数据输出（接PLC RX）
-DE/RE：方向控制。发送时拉高，接收时拉低。通常用同一个GPIO控制两个引脚（短接DE和RE）

🛠️ 小技巧：可以用三极管或反相器实现自动方向切换，但我们推荐手动控制更稳妥。

必须注意的五件事

终端电阻不能省
当传输距离超过100米或速率高于19200时，在总线两端（第一个和最后一个设备）的A、B线之间并联120Ω电阻，防止信号反射。
用屏蔽双绞线
别拿普通电线凑合！一定要用RVSP屏蔽双绞线，并将屏蔽层单点接地。
避免地环路干扰
如果发现通信不稳定，试试加入光耦隔离模块（如HCPL-2630）或磁隔离收发器（ADM2483），成本多几十块，换来的是系统稳定性翻倍。
地址别重复
所有从站地址必须唯一。建议规划好：1~10给PLC，11~20给变频器，21~30给仪表……
电源独立供电
RS485模块尽量单独供电，尤其是挂载多个设备时，避免MCU因电流过大复位。

实战：用Python写一个PLC采集器

下面我们用树莓派+Python实现一个简单的轮询采集程序。假设我们要每隔2秒读一次地址为2的PLC，读取寄存器0~4的值。

import serial import time def calculate_crc(data): crc = 0xFFFF for byte in data: crc ^= byte for _ in range(8): if crc & 1: crc = (crc >> 1) ^ 0xA001 else: crc >>= 1 return ((crc & 0xFF) << 8) | (crc >> 8) def read_holding_registers(slave_addr, start_reg, reg_count): # 构造请求帧 frame = [ slave_addr, 0x03, (start_reg >> 8) & 0xFF, start_reg & 0xFF, (reg_count >> 8) & 0xFF, reg_count & 0xFF ] crc = calculate_crc(frame) frame.append(crc & 0xFF) frame.append((crc >> 8) & 0xFF) return bytes(frame) # 初始化串口 ser = serial.Serial( port='/dev/ttyUSB0', baudrate=19200, bytesize=8, parity='N', stopbits=1, timeout=1.0 ) try: while True: # 发送请求 request = read_holding_registers(2, 0, 5) ser.write(request) # 切换为接收模式（如果是半双工） time.sleep(0.01) # 给一点响应时间 # 读取响应 response = ser.read(11) # 应答帧长度 = 2(头)+1(字节数)+10(数据)+2(CRC)=15? 视情况调整 if len(response) >= 5: print("Raw data:", [f"0x{b:02X}" for b in response]) # 解析数据... else: print("Timeout or error") time.sleep(2) except KeyboardInterrupt: print("Exit") finally: ser.close()