1. ModbusRTU介绍

• ModbusRTC本身只定义了数据报文的结构，底层物理链接依赖与串行通信标准。
• 主从通信模式，一个主站设备发起请求，一个或多个从站设备响应请求
• 全双工 异步通信

2. 物理层 - modbusRTU的载体

2.1 RS485

RS-485 是 Modbus RTU 在工业应用中最常见的选择,其优点：

• 多点通信：支持半双工多点通信，一个主站可以连接多达32个从站（通过中继器可扩展更多）
• 远距离传输 ：标准距离可达1200米
• 抗干扰能力强：采用差分信号，对共模噪声具有良好的抑制力，使用于工业恶劣环境
• 布线简单：采用两个双绞线进行链接

2.2 Modbus RTU over TCP/IP（网络透传）

Modbus RTU 协议通过 TCP/IP 网络进行传输，这种方式被称为 "Modbus RTU over TCP" 或 "Modbus RTU 网络透传"。这种实现方式在工业现场非常常见，主要有两种应用场景：

2.2.1.设备直接支持网络功能

工业设备（如智能传感器、变频器、PLC等）直接集成了以太网接口，能够将原本的 Modbus RTU 数据帧封装在 TCP/IP 数据包中进行传输：

• 优势：设备直接连接到企业网络，无需额外的转换设备
• 传输距离：几乎不受限制，可以通过互联网进行远程通信
• 多主站支持：TCP/IP 的特性使得多个主站可以同时访问同一个从站设备
• 应用场景：远程监控、云端数据采集、分布式控制系统

2.2.2. 串口转网络设备（透传模块）

对于不具备网络功能的传统 Modbus RTU 设备，可以通过专门的串口转网络设备（如串口服务器、DTU、网关等）实现网络化：

• 工作原理：透传设备一端连接传统的 RS-485/RS-232 串口设备，另一端连接到以太网，将串口数据透明传输到网络
• 设备类型：
  • 串口服务器：专业的工业级设备，支持多串口、协议转换等功能
  • DTU（数据传输单元）：通常支持4G/WiFi等无线网络，适用于远程或移动场景
  • 工业网关：集成多种协议转换功能，支持 Modbus RTU/TCP、OPC UA 等
• 配置要求：需要配置设备的 IP 地址、端口号、串口参数（波特率、数据位等）
• 应用优势：
  • 成本效益：无需更换现有设备，只需添加转换设备
  • 灵活部署：可以将现场设备接入企业网络或云平台
  • 集中管理：通过网络实现设备的集中监控和管理

数据帧格式：

• Modbus RTU over TCP 保持了原有的 RTU 数据帧格式（包括 CRC 校验）
• 数据帧被完整地封装在 TCP 数据包中，不进行任何修改
• 与标准的 Modbus TCP 协议不同，Modbus TCP 使用 MBAP 头部替代了 CRC 校验

时序要求：

• 网络传输中不存在传统串口的 T3.5 帧间静默时间概念
• 透传设备通常会处理帧的分割和重组
• 需要注意网络延迟对通信时序的影响

实际应用建议：

• 选择合适的透传设备：根据现场环境选择有线或无线、单串口或多串口设备
• 网络规划：合理规划 IP 地址和端口，避免冲突
• 安全考虑：在通过互联网传输时，建议使用 VPN 或其他加密手段保护数据安全
• 兼容性测试：在正式部署前，充分测试主站软件与透传设备的兼容性

3. Modbus 数据模型：理解数据存储结构

Modbus 协议将设备内部的数据抽象为四个逻辑上独立的、地址空间互不重叠的数据表。每个表存储不同类型的数据，并具有特定的访问权限。

重要提示：

• PLC地址是工业自动化领域常用的地址表示方法（基于1的编址），而Modbus协议地址是通信时实际使用的地址（基于0的编址）。两者的转换关系为：Modbus协议地址 = PLC地址 - 基础地址（如40001、30001等）。 例如，参考地址40003对应协议中的偏移地址0x0002=40003-40001。
• 线圈和离散量输入是位（Bit）操作，而保持寄存器和输入寄存器是字（Word，即16位）操作。
• 每个表的地址空间是独立的，即0x0001的线圈与0x0001的保持寄存器是完全不同的概念。

4. 协议基础结构：Modbus RTU 数据帧

个标准的 Modbus RTU 数据帧（或称报文）是主站与从站之间进行通信的基本单位。它包含以下几个关键部分：

4.1 数据帧格式概览

[从站地址] [功能码] [数据字段] [CRC校验] 1字节 1字节 N字节 2字节

4.11 从站地址(slave-address) - 1字节

• 作用：用于唯一标识网络上的目标从站设备。
• 范围：通常为 1-247。
  • 0是广播地址，发送给所有从站，但从站不响应。
  • 248-255为保留地址。
• 要求：每个从站设备在 Modbus 网络中必须配置一个唯一的地址。

4.1.2 功能码（Function Code）- 1个字节

• 作用：定义了主站希望从站执行的操作类型（如读取数据、写入数据）。

4.1.3 数据字段（Data Field）- 变长

• 作用：包含执行特定功能所需的具体信息，如起始地址、读取或写入的数量、要写入的值等。
• 长度：根据功能码的不同而变化。
  • 读取请求：通常包含起始地址和数量。
  • 写入请求：通常包含起始地址和要写入的值。

4.1.4 CRC校验（Cyclic Redundancy Check）- 2个字节

• 作用：提供数据的完整性校验，用于检测在传输过程中是否发生错误。

• 算法：Modbus RTU 使用 CRC-16 算法。

  • 发送方计算从从站地址到数据字段末尾的所有字节的 CRC 值，并将其附加在帧的末尾（低字节在前，高字节在后）。
  • 接收方接收到数据帧后，以同样的方式对接收到的数据（不含接收到的 CRC）进行 CRC 计算。
  • 如果计算结果与接收到的 CRC 值不匹配，则认为数据传输有误，从站通常会丢弃该帧不予处理或返回错误。

//crc计算代码示例： WORD CRC16 (const BYTE *data, WORD length) { static const WORD table[] = { 0X0000, 0XC0C1, 0XC181, 0X0140, 0XC301, 0X03C0, 0X0280, 0XC241, 0XC601, 0X06C0, 0X0780, 0XC741, 0X0500, 0XC5C1, 0XC481, 0X0440, 0XCC01, 0X0CC0, 0X0D80, 0XCD41, 0X0F00, 0XCFC1, 0XCE81, 0X0E40, 0X0A00, 0XCAC1, 0XCB81, 0X0B40, 0XC901, 0X09C0, 0X0880, 0XC841, 0XD801, 0X18C0, 0X1980, 0XD941, 0X1B00, 0XDBC1, 0XDA81, 0X1A40, 0X1E00, 0XDEC1, 0XDF81, 0X1F40, 0XDD01, 0X1DC0, 0X1C80, 0XDC41, 0X1400, 0XD4C1, 0XD581, 0X1540, 0XD701, 0X17C0, 0X1680, 0XD641, 0XD201, 0X12C0, 0X1380, 0XD341, 0X1100, 0XD1C1, 0XD081, 0X1040, 0XF001, 0X30C0, 0X3180, 0XF141, 0X3300, 0XF3C1, 0XF281, 0X3240, 0X3600, 0XF6C1, 0XF781, 0X3740, 0XF501, 0X35C0, 0X3480, 0XF441, 0X3C00, 0XFCC1, 0XFD81, 0X3D40, 0XFF01, 0X3FC0, 0X3E80, 0XFE41, 0XFA01, 0X3AC0, 0X3B80, 0XFB41, 0X3900, 0XF9C1, 0XF881, 0X3840, 0X2800, 0XE8C1, 0XE981, 0X2940, 0XEB01, 0X2BC0, 0X2A80, 0XEA41, 0XEE01, 0X2EC0, 0X2F80, 0XEF41, 0X2D00, 0XEDC1, 0XEC81, 0X2C40, 0XE401, 0X24C0, 0X2580, 0XE541, 0X2700, 0XE7C1, 0XE681, 0X2640, 0X2200, 0XE2C1, 0XE381, 0X2340, 0XE101, 0X21C0, 0X2080, 0XE041, 0XA001, 0X60C0, 0X6180, 0XA141, 0X6300, 0XA3C1, 0XA281, 0X6240, 0X6600, 0XA6C1, 0XA781, 0X6740, 0XA501, 0X65C0, 0X6480, 0XA441, 0X6C00, 0XACC1, 0XAD81, 0X6D40, 0XAF01, 0X6FC0, 0X6E80, 0XAE41, 0XAA01, 0X6AC0, 0X6B80, 0XAB41, 0X6900, 0XA9C1, 0XA881, 0X6840, 0X7800, 0XB8C1, 0XB981, 0X7940, 0XBB01, 0X7BC0, 0X7A80, 0XBA41, 0XBE01, 0X7EC0, 0X7F80, 0XBF41, 0X7D00, 0XBDC1, 0XBC81, 0X7C40, 0XB401, 0X74C0, 0X7580, 0XB541, 0X7700, 0XB7C1, 0XB681, 0X7640, 0X7200, 0XB2C1, 0XB381, 0X7340, 0XB101, 0X71C0, 0X7080, 0XB041, 0X5000, 0X90C1, 0X9181, 0X5140, 0X9301, 0X53C0, 0X5280, 0X9241, 0X9601, 0X56C0, 0X5780, 0X9741, 0X5500, 0X95C1, 0X9481, 0X5440, 0X9C01, 0X5CC0, 0X5D80, 0X9D41, 0X5F00, 0X9FC1, 0X9E81, 0X5E40, 0X5A00, 0X9AC1, 0X9B81, 0X5B40, 0X9901, 0X59C0, 0X5880, 0X9841, 0X8801, 0X48C0, 0X4980, 0X8941, 0X4B00, 0X8BC1, 0X8A81, 0X4A40, 0X4E00, 0X8EC1, 0X8F81, 0X4F40, 0X8D01, 0X4DC0, 0X4C80, 0X8C41, 0X4400, 0X84C1, 0X8581, 0X4540, 0X8701, 0X47C0, 0X4680, 0X8641, 0X8201, 0X42C0, 0X4380, 0X8341, 0X4100, 0X81C1, 0X8081, 0X4040 }; BYTE temp; WORD word = 0xFFFF; while (length--) { temp = *data++ ^ word; word >>= 8; word ^= table[temp]; } return word; }

4.1.5 帧间静默时间（T3.5）

• 重要性：这是 Modbus RTU 协议中一个非常关键的特性，用于判断一帧数据的开始和结束。
• 定义：在 Modbus RTU 模式下，一个数据帧的发送必须以至少 3.5 个字符传输时间的静默间隔作为结束标志。当接收方检测到连续的 3.5 个字符的静默时间后，就会认为前一帧数据已经完整接收。同样，一个新帧的开始也必须以 3.5 个字符的静默时间作为前导。
• 作用：
  • 帧同步：确保接收方能够准确地识别一帧的边界，避免粘包或断帧问题。
  • 错误检测：如果两个字符之间的静默时间超过 1.5 个字符但小于 3.5 个字符，则认为这是一个传输错误（可能表示帧被截断）。
• 计算：T3.5 = (3.5 * 10位 / 波特率)秒（每个字符通常包含1起始位+8数据位+1停止位 = 10位）。例如，在9600 bps下，T3.5约为3.64毫秒。

5. 异常响应：错误处理机制

当主站向从站发送一个有效但从站无法处理的请求时（例如，请求读取一个不存在的寄存器地址，或者数据值超出范围），从站不会返回正常响应，而是会返回一个异常响应帧。

5.1 异常响应帧的格式

[从站地址] [功能码+0x80] [异常码] [CRC校验] 1字节 1字节 1字节 2字节

• 功能码+0x80：异常响应的标志。从站会将原始请求功能码的最高位设置为 1（即原始功能码与0x80进行按位或操作），以此告诉主站这是一个异常响应。例如，如果请求的功能码是0x03，异常响应的功能码将是0x83。
• 异常码：一个字节，指示错误的具体类型。如下：

6. 实际应用示例：深入理解通信流程

6.1 示例1：读取温度传感器数据（功能码 0x03 - 读取保持寄存器）

假设我们有一个地址为1的温度传感器，其当前温度值存储在保持寄存器（Holding Register）的地址40001(Modbus协议偏移地址0x0000)。我们要读取这一个寄存器的值。

发送命令（主站 -> 从站）：01 03 02 00 64 B9 30 命令解析： 01：从站地址为 1。 03：功能码为 3 (0x03)，表示读取保持寄存器。 00 00：起始寄存器地址为 0x0000 (对应 Modbus 参考地址 40001)。 00 01：请求读取 1 个寄存器。 84 0A：CRC-16 校验码。 设备响应（从站 -> 主站）：01 03 02 00 64 B9 30 响应解析： 01：从站地址为 1。 03：功能码为 3 (0x03)，正常响应。 02：数据字节数，表示接下来的数据有 2 个字节（因为读取了 1 个 16 位寄存器，即 2 个字节）。 00 64：实际读取到的数据。0x0064 转换为十进制是 100。 B9 30：CRC-16 校验码。

6.2 示例2：设置输出线圈状态（功能码 0x05 - 强制单个线圈）

要将地址为2的设备的输出线圈（Coil）地址00001(Modbus协议偏移地址0x0000) 设置为开启状态。

发送命令（主站 -> 从站）： 02 05 00 00 FF 00 8C 3A 命令解析： 02：从站地址为 2。 05：功能码为 5 (0x05)，表示强制单个线圈。 00 00：线圈地址为 0x0000 (对应 Modbus 参考地址 00001)。 FF 00：写入的值。0xFF00 表示将线圈设置为 ON（开启），0x0000 表示设置为 OFF（关闭）。 8C 3A：CRC-16 校验码。 设备响应（从站 -> 主站）： 02 05 00 00 FF 00 8C 3A 响应解析： 02：从站地址为 2。 05：功能码为 5。 00 00：线圈地址为 0x0000。 FF 00：确认线圈被设置为 ON。 8C 3A：CRC-16 校验码。 对于功能码 0x05，从站的正常响应是将其接收到的请求帧原样返回给主站，以确认操作已成功执行。

7. 使用在线工具实践Modbus RTU

理论学习固然重要，但动手实践是掌握 Modbus RTU 的最佳途径。我们强烈推荐使用Modbus在线工具来辅助学习和调试：

1. Modbus RTU 命令生成器：

   • 根据从站地址、功能码、起始地址和数量等参数，自动生成符合 Modbus RTU 标准的请求命令帧（包括 CRC 校验）。
   • 非常适合验证你手动构建的命令是否正确。

2. Modbus RTU 数据解析器：

   • 输入十六进制的 Modbus RTU 响应数据帧，工具将自动解析出从站地址、功能码、数据内容以及 CRC 校验结果。
   • 支持多种数据类型（如 UINT16, INT16, UINT32, FLOAT32）和字节序（ABCD, DCBA, BADC, CDAB）的解析，帮助你验证从设备读取到的数据是否正确。

3. CRC计算器：

   • 专门用于计算 Modbus RTU 消息的 CRC-16 校验码，确保数据包的完整性。

4. Modbus 在线调试工具：

   • 模拟主站功能，实时与真实的 Modbus 设备进行通信，发送请求并接收响应，是现场调试的利器。

9. 常见问题和解决方案

9.1 通信超时（Timeout）

现象：主站发送请求后，在设定的时间内未收到从站的响应。

常见原因：

• 波特率、数据位、停止位、奇偶校验等串口参数设置不匹配。
• 从站地址错误，主站请求的地址与从站实际地址不符。
• 从站设备未通电、未启动或故障。
• 接线错误(RS-485 的 A/B 线接反，RS-232 接线不正确)。
• RS-485 网络中终端电阻缺失或不正确，导致信号反射。
• T3.5 帧间静默时间控制不精确，导致从站误判帧结束。

解决方案：

• 逐一核对主站和从站的所有串口通信参数，确保完全一致。
• 验证从站地址配置是否正确，避免冲突。
• 检查从站状态：确认从站已正常上电并运行。
• 检查物理接线：使用万用表检查 A/B 线是否正确，确保接触良好。
• RS-485 终端电阻：在总线两端（最远两个设备）各连接一个 120 欧姆的终端电阻。
• 增加超时时间：在调试阶段适当增加主站的超时等待时间，排除因响应慢导致的问题。

9.2 CRC校验失败

现象：接收到的数据帧通过 CRC 校验器验证不通过。

常见原因：

• 数据传输过程中发生错误：线路干扰、电磁噪声、传输距离过长、波特率过高。
• 主站或从站的 CRC 算法实现不正确：虽然 Modbus CRC-16 是标准算法，但仍可能因实现细节错误导致计算不匹配。
• 数据帧被截断或额外插入字节：硬件或软件问题导致帧不完整。

解决方案：

• 检查线路连接：确保线缆质量好，屏蔽层有效接地，避免与强电线缆并行布线。
• 降低通信速率：尝试降低波特率，看是否能解决 CRC 错误。
• 使用标准 CRC-16 算法：确认主站和从站程序中使用的 CRC-16 算法是 Modbus 标准的（多项式0xA001或反序0x8005）。
• 隔离干扰源：排除可能导致干扰的设备。

9.3 数据解析错误（数值不正确）

现象：成功收到从站响应，但解析出的数据与预期不符（例如，温度值显示为乱码或错误的大数字）。

常见原因：

• 字节序（Byte Order）或字序（Word Order）配置错误：这是最常见的问题，尤其在处理 32 位数据（UINT32, INT32, FLOAT32）时。
• 数据类型选择错误：例如，将浮点数按整数解析，或将有符号数按无符号数解析。
• 寄存器地址对应关系错误：读取的寄存器地址与设备手册中定义的实际数据地址不匹配。
• 数据缩放或偏移未处理：设备可能输出原始ADC值，需要经过计算才能得到实际物理量。

解决方案：

• 查阅设备手册：严格按照设备手册确认数据类型、占用寄存器数量、字节序和字序。
• 尝试不同字节序组合：使用 Modbus 在线工具或调试软件测试 ABCD, DCBA, BADC, CDAB 等所有可能的字节序组合，直到数据正确显示。
• 确认数据类型：确保主站解析时使用与从站一致的数据类型。
• 核对寄存器地址：确保请求的寄存器地址是正确的，并且与设备的具体数据点对应。
• 处理缩放/偏移：如果设备输出的是原始值，需要在主站程序中加入相应的转换公式。