Modbus RTU 规范详解 🔧

📋 协议基础

传输特性

物理层:

• 接口标准: RS-232 / RS-485
• 传输方式: 异步串行传输
• 编码方式: 二进制
• 校验方式: CRC-16

电气特性:

• 信号电平: RS-232 (±3V to ±15V) / RS-485 (差分 ±1.5V to ±6V)
• 传输距离: RS-232 (15m) / RS-485 (1200m)
• 节点数量: RS-232 (点对点) / RS-485 (最多32个节点)

帧结构

RTU 帧格式:

1
2

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

帧组成部分:

• 起始: 隐式开始，通过帧间间隔识别
• 地址域: 1字节，范围 0-247 (0为广播地址)
• 功能码: 1字节，定义操作类型
• 数据域: N字节，具体操作数据
• 校验域: 2字节，CRC-16校验码
• 结束: 隐式结束，通过帧间间隔识别

⚙️ 通信参数

标准配置

推荐配置组合

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波特率: 9600 bps
数据位: 8
停止位: 1
奇偶校验: 无

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波特率: 115200 bps
数据位: 8
停止位: 1
奇偶校验: 无

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4

波特率: 9600 bps
数据位: 8
停止位: 1
奇偶校验: 偶校验

⏱️ 时序要求

字符时序

字符间超时 (Inter-Character Timeout):

• 定义: 1.5个字符时间
• 用途: 检测字符传输中断
• 计算: 1.5 × (1 + 数据位 + 停止位 + 奇偶位) / 波特率

示例计算 (9600 bps, 8-N-1):

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字符时间 = (1 + 8 + 1) / 9600 = 10 / 9600 = 1.0417 ms
字符间超时 = 1.5 × 1.0417 = 1.5625 ms

帧时序

帧间间隔 (Inter-Frame Gap):

• 定义: 3.5个字符时间
• 用途: 区分不同数据帧
• 计算: 3.5 × (1 + 数据位 + 停止位 + 奇偶位) / 波特率

示例计算 (9600 bps, 8-N-1):

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2

字符时间 = 1.0417 ms
帧间间隔 = 3.5 × 1.0417 = 3.6458 ms

响应超时

典型超时设置:

• 最小超时: 1秒
• 标准超时: 3-5秒
• 最大超时: 10秒
• 具体设置: 根据网络条件和设备性能调整

🔐 CRC-16 校验

算法原理

CRC多项式:

• 标准多项式: x^16 + x^15 + x^2 + 1
• 十六进制: 0xA001
• 初始值: 0xFFFF

计算步骤:

1. 初始化CRC寄存器为0xFFFF
2. 对每个数据字节执行以下操作:
3. 将数据字节与CRC寄存器低字节异或
4. 右移CRC寄存器8次，每次检查最低位
5. 如果最低位为1，则与0xA001异或

实现代码

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uint16_t crc16(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

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def crc16(data: bytes) -> int:
    crc = 0xFFFF
    for byte in data:
        crc ^= byte
        for _ in range(8):
            if crc & 0x0001:
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001
            else:
                crc >>= 1
    return crc

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// CRC预计算表
static const uint16_t crc16_table[256] = {
    0x0000, 0xC0C1, 0xC181, 0x0140, 0xC301, 0x03C0, 0x0280, 0xC241,
    // ... 完整的256项查表
};

uint16_t crc16_fast(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t i = 0; i < length; i++) {
        crc = (crc >> 8) ^ crc16_table[(crc ^ data[i]) & 0xFF];
    }
    return crc;
}

🔌 物理层连接

RS-485 网络配置

网络拓扑:

• 总线型拓扑: 所有设备并联在总线上
• 终端电阻: 在总线两端添加120Ω终端电阻
• 接地: 单点接地，避免地环路

接线规范:

• 线缆类型: 屏蔽双绞线
• 线缆颜色: A+(绿色), B-(白色), GND(屏蔽层)
• 连接方式: 菊花链或T型连接

设备地址分配

地址范围:

• 广播地址: 0 (所有设备响应，但不返回响应)
• 从站地址: 1-247
• 保留地址: 248-255

地址分配原则:

• 每个设备唯一地址
• 避免地址冲突
• 便于维护和管理

📊 性能指标

传输效率

数据吞吐量计算:

1

有效数据率 = (数据字节数 / 总字节数) × 波特率

示例 (读保持寄存器, 9600 bps):

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请求帧: 8字节 (1地址 + 1功能码 + 4数据 + 2CRC)
响应帧: 9字节 (1地址 + 1功能码 + 1字节计数 + 4数据 + 2CRC)
总传输: 17字节
有效数据: 4字节
效率: (4 / 17) × 9600 ≈ 2259 bps

响应时间

典型响应时间:

• 设备处理: 1-10 ms
• 传输延迟: 取决于波特率和帧长度
• 总响应时间: 通常 10-100 ms

🛡️ 错误处理

CRC错误处理

检测到CRC错误:

1. 丢弃错误帧
2. 不发送任何响应
3. 等待主站重传

重传策略:

• 最大重试次数: 3次
• 重试间隔: 指数退避
• 超时处理: 记录错误日志

通信故障诊断

🔧 调试工具

硬件工具

示波器/逻辑分析仪:

• 信号质量分析
• 时序测量
• 故障诊断

协议分析仪:

• 实时数据监控
• 协议解析
• 错误统计

软件工具

串口调试助手:

• 数据收发测试
• 十六进制显示
• 自动CRC计算

专业Modbus工具:

• ModbusPoll
• ModbusSlave
• 自动化测试脚本

📝 实现注意事项

软件实现要点

帧边界检测:

• 严格遵循3.5字符时间规则
• 实现可靠的超时机制
• 处理不完整的帧数据

错误恢复:

• 实现重试机制
• 提供故障恢复策略
• 记录详细的错误日志

硬件设计建议

接口保护:

• 添加ESD保护器件
• 使用隔离器件
• 提供过压保护

信号质量:

• 使用屏蔽电缆
• 合理布置终端电阻
• 避免信号反射

相关文档:

• 功能码详解 - 功能码的详细说明
• 响应结构详解 - 响应数据格式说明
• 应用示例 - 实际应用案例
• TCP规范 - TCP协议详细规范