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外观

第05章 Modbus协议

约 2063 字大约 7 分钟

2026-01-27

5.1 相关通信标准

① UART

  • UART 是一种通信协议，用于实现设备之间的异步串行通信。
  • UART 是逻辑层的通信协议，它定义了数据帧格式（起始位、数据位、校验位、停止位）和波特率等参数。
  • UART本身不规定电气特性（如电压电平），需要配合其他标准（如 RS-232、RS-485）来实现物理传输。

② RS-232

  • 定义：由 EIA 制定的一种点对点串行通信标准。

  • 电气特性：电压范围通常为 ±15V（-3V ~ -15V 表示逻辑 1，+3V ~ +15V 表示逻辑 0），比 TTL 电平抗干扰能力强

    RS232.png

  • 通信方式：全双工（可同时收发）

  • 最大距离：约 15 米

  • 拓扑结构：点对点（1 发送方，1 接收方）

  • 典型接口：DB9 或 DB25 接口

  • 常见用途：早期 PC、工业设备、调制解调器等

  • 与UART关系: UART 是逻辑协议，RS-232 是物理层标准，所以 UART 数据可以通过 RS-232 标准进行传输。

③ RS-485

  • 定义：一种差分信号传输的串行通信标准，支持多点通信。

  • 电气特性：差分信号（A/B 线），抗干扰能力强，适合长距离通信

    RS485.png

  • 通信方式：半双工或全双工（取决于硬件设计）

  • 最大距离：可达 1200 米

  • 拓扑结构：多点总线型（最多支持 32~256 个节点）

  • 常见用途：工业自动化、楼宇控制、传感器网络等

  • 典型接口：接线端子、RJ45、DB9

  • 与UART关系: UART 是逻辑协议，RS-485 是物理层标准，所以 UART 数据可以通过 RS-232 标准进行传输。

5.2 协议概述

Modbus是一种工业级主从式串行通信协议，由Modicon公司（现施耐德电气）于1979年为可编程逻辑控制器PLC通信设计。作为工业自动化领域事实上的通信标准，其采用"请求-响应"机制，支持多种物理层接口和传输模式。已成为工业控制系统的行业标准之一。

① Modbus 和 UART

UARTModbus
协议层级物理层/数据链路层（比特传输）UART协议层之上、应用层（数据交互规则）
数据定义无语义，仅传输原始比特定义寄存器地址、功能码等语义

② Modus 协议核心特性

开放性架构 协议规范完全公开（现由Modbus-IDA组织维护），采用BSD授权模式，任何厂商无需支付许可费用即可实现兼容设备，这是其成为工业通信领域TCP/IP的关键因素。

轻量化设计 协议头仅包含地址域（1B）+功能码（1B）+数据域（N B）+校验域（2B），这种极简帧结构带来三大优势

  • 硬件实现成本低（8位MCU即可处理）

  • 网络负载率低（RTU模式最小帧仅4字节）

  • 开发调试门槛低

多物理层支持 通过分层设计实现介质无关性：

  • 电气接口：支持RS-485（主流，最大节点数32）、RS-232
  • 网络层：支持TCP/IP over Ethernet（Modbus TCP）
  • 无线扩展：可通过网关转换支持LoRa、Zigbee等

主从通信模型

  • 单主多从拓扑（典型应用）
  • 从设备（Slave）地址范围1-247（0为广播地址）
  • 典型响应时间＜1ms

③ 标准化数据模型（四种寄存器类型）（重要）

在 Modbus 协议中，设备（从机）会维护几种预定义的寄存器区域，主机可以通过协议命令读取或写入这些寄存器。每种寄存器有其特定的功能：

寄存器类型读写权限起始逻辑地址数据位宽典型应用
线圈 (Coils）读写0x00011位控制继电器、指示灯
离散输入 (Discrete Inputs)只读0x10011位检测传感器开关状态
输入寄存器 (Input Registers)只读0x300116位读取模拟量传感器数据
保持寄存器 (Holding Registers)读写0x400116位配置设备参数、存储数据

④ 功能码（重要）

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⑤ 三种具体实现

Modbus RTU（推荐方案）

基于串口（RS-485/RS-232）的二进制编码，高效紧凑，适用于工业现场。

帧格式：

[Address(1B)](设备地址) + [Function(1B)](功能码)  + [Data(N B)](数据) + [CRC(2B)](CRC校验)`

技术特点：

  • 采用3.5字符静默时间作为帧间隔
  • CRC-16校验多项式：0x8005
  • 波特率自适应（1200-115200bps）
Modbus ASCII

使用 ASCII 字符编码传输数据，每个字节（8位）拆分为两个十六进制字符（0-9, A-F）。例如，字节 0x5B会被编码为字符 '5'和 'B'（ASCII 码 0x35和 0x42），传输效率较低（数据量加倍） ，可读性强，适合调试。

帧格式：

[Address(2ASC)] [Function(2ASC)] [Data] [LRC(2ASC)]

典型应用场景：

  • 调试阶段的人眼可读需求
  • 存在字符转换设备的异构系统
  • 波特率误差＞2%的劣质线路
Modbus TCP

基于以太网，将RTU帧嵌入TCP/IP协议栈，支持远程通信

帧结构：

[MBAP Header(7B)] + [Function(1B)] + [Data]

其中MBAP头包含：

  • Transaction ID（2B）：请求响应匹配标识
  • Protocol ID（2B）：固定0x0000
  • Length（2B）：后续字节数
  • Unit ID（1B）：兼容串行设备地址

默认使用TCP 502 端口，支持 Full-Duplex 通信

5.3 Modbus RTU 详细介绍

① 报文结构

Modbus RTU 通信基于主从架构，主站（Master）发送请求帧，从站（Slave）返回响应帧。

帧格式如下:

RTU%E6%8A%A5%E6%96%87.png

各部分介绍：

  • 从站地址(设备地址、ModbusID)用于多个从设备识别。
  • 功能码代表不同的命令。
  • 数据表示写入的内容，不同的功能码写入的内容不同。
  • CRC 校验用于收发消息确认是否有效。

② 各种操作的报文

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③ 帧间间隔（Start Silence）

Start Silence （起始静默时间，也称为帧间间隔）是指前一帧的最后一个字节传输完成，到下一帧的第一个字节开始传输之间的最小空闲时间。

在 Modbus RTU 模式下，该静默时间必须 ≥ 3.5 个字符传输时间（即 3.5 × 单个字符的传输时间）。

如果静默时间 < 3.5 字符时间，接收设备可能会错误地将两帧合并解析，导致通信错误。

如何计算 3.5 字符时间？

静默时间取决于 波特率（Baud Rate） 和 数据格式（如 8N1，即 8 数据位、无校验、1 停止位）：

1个字符时间 = (1 起始位 + 8 数据位 + 1 停止位) / 波特率
例如，115200bps时，1个字符时间 = 10bits / 115200bps ≈ 86.8μs
	 19200bps时，1个字符时间 = 10bits / 19200bps时 ≈ 520.8us
	 9600bps时，1个字符时间 = 10bits / 9600bps ≈ 1.04ms

3.5字符时间 = 3.5 × 1个字符时间
例如，115200bps时，3.5个字符时间 ≈ 303.82us
 	 19200bps时, 3.5个字符时间 ≈ 1.8ms
	 9600bps时, 3.5个字符时间 ≈ 3.65ms
为什么需要 Start Silence？
  • 帧分隔：Modbus RTU 是无起始符/结束符的二进制协议，依赖静默时间来区分帧。
  • 防止粘帧：如果主设备连续发送请求，而静默时间不足，从设备可能无法正确解析帧边界，导致 CRC 校验失败或数据错位。
  • 兼容性：所有 Modbus RTU 设备必须遵守该规则，否则可能无法正常通信。
实际应用注意事项
  • 主设备（Master）在发送新帧前，必须等待 ≥ 3.5 字符静默时间。
  • 从设备（Slave）在响应时，通常会在收到完整帧后立即回复（无需额外静默时间）。
  • 字符时间和串口的波特率有关，常见的波特率有9600，19200和115200，如果使用低速波特率（小于19200），要严格按照3.5个字符时间，如果使用高速波特率，可以直接使用35个50us（1.75ms）作为标准时间。

④ 错误检测和超时

Modbus RTU使用 CRC（循环冗余校验）进行错误检测。如果接收方检测到CRC不匹配，则该消息会被丢弃，等待下一个有效消息。