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文 | 无际（微信:2777492857）
全文约3753字，阅读大约需要 10 分钟
我第一次接触Modbus时，是做一个电梯的配件，还有后面做PDU也做过。
网上资料一大堆，但零零散散，我一开始也完全不知道从哪下手，我翻开官方文档，满眼的专业术语和表格，头都大了。帧结构是什么？CRC校验怎么算？完全摸不着头脑。
其实找个简单的代码示例，把基础概念弄明白，再去看理论的东西，贼简单。
后来我找到突破口：从Modbus RTU入手，先搞懂帧结构和功能码，其他的慢慢补。
这篇文章带你从零开始，拆解Modbus的核心概念。
1. 引言
先大概介绍下，在工业自动化领域，设备之间的“对话”是实现智能控制的核心。Modbus通讯协议作为一种简单、开放的协议，自1979年诞生以来，广泛应用于PLC、传感器、变频器等设备的数据交换。它的设计初衷是为工业现场提供一种高效的通讯方式，如今已成为自动化领域的“通用语言”。
除了PLC以外，将Modbus协议与单片机结合，不仅能让单片机轻松与其他设备通讯，还能扩展其在工业场景中的应用，降低硬件成本，提高定制化能力。
本文将带你从零开始认识Modbus，并通过单片机开发的实例，助你迈出实践第一步。
2. Modbus协议基础
2.1 历史与背景
Modbus协议由Modicon公司于1979年开发，最初用于其可编程逻辑控制器（PLC）的通讯。
随着时间推移，它因免费开放和易于实现而成为工业标准。如今，Modbus已发展出多个版本，适应不同场景，如串行通讯和网络通讯。
2.2 协议类型
Modbus有以下几种常见形式：
•Modbus RTU：采用二进制格式，适用于串行通讯（如RS-485），效率高，是工业现场的主流选择。
•Modbus ASCII：使用ASCII字符，便于调试，但数据冗余较多。
•Modbus TCP/IP：基于以太网的版本，适合远程访问和现代网络应用。
初学者通常从Modbus RTU入手，因为它简单直接，且硬件支持广泛，在嵌入式领域用这种类型用得很多。
2.3 通讯模式
Modbus采用主从模式：
•主设备（Master）：如PLC、单片机或上位机，负责发起请求。
•从设备（Slave）：如传感器或执行器，接收并响应请求。
一次通讯由主设备发送请求帧开始，从设备处理后返回响应帧。这种单向发起的机制简单可靠。
2.4 数据模型
Modbus将数据分为四种类型，存储在不同的“寄存器”中：
这些寄存器就像设备的“内存单元”，主设备通过操作它们实现数据交换。
3. Modbus RTU详解
由于Modbus RTU是工业中最常用的版本，我们深入了解它的细节。
3.1 帧结构
Modbus RTU的通讯帧由以下部分组成：
•地址码（1字节）：从设备的地址，取值1-247。
•功能码（1字节）：指定操作类型，如读取或写入。
•数据区（长度可变）：包含具体的操作数据。
•CRC校验（2字节）：循环冗余校验码，确保数据无误。
例如，一个读取寄存器的请求帧可能是：
01 03 00 00 00 02 C4 0B•01：从设备地址
•03：功能码（读保持寄存器）
•00 00：起始地址
•00 02：读取2个寄存器
•C4 0B：CRC校验
3.2 功能码
功能码定义了主设备要执行的操作，常见的有：
3.3 CRC校验
CRC（循环冗余校验）是Modbus RTU的关键，用于检测传输错误。发送方计算CRC并附加在帧尾，接收方重新计算并比对。单片机实现时，可用查表法快速完成计算。
这个算法也挺复杂的，分CRC16、CRC32，我们一般用CRC16就够了。
而且最关键的，网上其实有现成的算法代码，我第一次接触就傻乎乎的去研究公式，走了几个星期弯路，把我气的。
4. Modbus在单片机中的应用
以下从硬件、软件和实例三个方面展开。
4.1 硬件接口
单片机与Modbus设备的连接通常依赖：
•UART：单片机的串行通讯模块，用于发送和接收数据。
•RS-485：工业标准接口，支持长距离、多设备通讯。
典型硬件连接：
Plain Text |
4.2 软件实现
在单片机上实现Modbus，可以选择：
•开源库：如libmodbus，提供现成函数，适合快速开发。
•自行编写：从协议规范入手，灵活性更高，适合学习。
我们一般都是自己写，没用过开源库的。
实现步骤包括：
1.配置UART（波特率、数据位等）。
2.解析Modbus帧（地址、功能码、数据、CRC）。
3.处理功能码并响应。
4.3 示例项目：STM32实现Modbus从设备
让我们通过一个实例，看看如何用STM32单片机读取传感器数据并响应Modbus请求。
硬件准备
•STM32F103开发板
•RS-485模块
•温度传感器（如DS18B20，模拟输入寄存器）
项目目标
•单片机作为从设备，地址为1。
•支持功能码03（读保持寄存器），返回温度值。
代码实现
我们以STM32为例，实现一个简单的Modbus RTU从设备，功能是响应主设备的功能码03请求，返回一个固定的温度值（25.0°C）。
以下是伪代码，仅展示核心逻辑：
// 模拟的温度值（单位：0.1°C，例如250表示25.0°C）//小数点不方便传输，一般我们是扩大10倍，接收端再减少10倍uint16_t temperature = 250;// UART发送函数（伪代码）void uart_send(uint8_t *data, int len){// 这里是发送数据的代码，具体实现根据你的单片机调整}// UART接收函数（伪代码）int uart_receive(uint8_t *buffer, int *len){// 这里是接收数据的代码// 返回1表示收到数据，0表示没收到return 0; // 假设暂时没收到数据}// CRC校验函数（简化版，实际需要完整的CRC16计算）uint16_t calc_crc(uint8_t *data, int len){// 实际项目中，这里用CRC16算法计算校验值// 为了简单，这里返回固定值return 0xFFFF;}// 处理Modbus请求的主函数void modbus_task(){uint8_t rx_buffer[20]; // 用来存接收到的数据int len = 0; // 接收到的数据长度// 检查有没有收到数据if (uart_receive(rx_buffer, &len)){// 解析收到的数据uint8_t addr = rx_buffer[0]; // 第1个字节是地址uint8_t func = rx_buffer[1]; // 第2个字节是功能码// 只处理地址为1的请求（我们的设备地址是1）if (addr == 0x01){// 只支持功能码03（读保持寄存器）if (func == 0x03){// 从收到的数据中取出起始地址和寄存器数量uint16_t start_addr = (rx_buffer[2] << 8) | rx_buffer[3]; // 第3、4字节是起始地址uint16_t reg_count = (rx_buffer[4] << 8) | rx_buffer[5]; // 第5、6字节是寄存器数量// 假设我们只支持读取地址0的1个寄存器if (start_addr == 0 && reg_count == 1){// 准备发送的响应数据uint8_t tx_buffer[10]; // 响应数据缓冲区tx_buffer[0] = 0x01; // 地址（我们的设备地址）tx_buffer[1] = 0x03; // 功能码（读保持寄存器）tx_buffer[2] = 2; // 返回的数据字节数（温度值占2字节）tx_buffer[3] = (temperature >> 8); // 温度值的高字节tx_buffer[4] = temperature; // 温度值的低字节// 计算CRC校验值uint16_t crc = calc_crc(tx_buffer, 5); // 前5字节参与校验tx_buffer[5] = crc & 0xFF; // CRC低字节tx_buffer[6] = crc >> 8; // CRC高字节// 发送响应给主设备uart_send(tx_buffer, 7); // 总共7字节}}}}}// 主函数int main(){// 初始化UART，设置波特率为9600uart_init(9600);// 一直循环处理Modbus请求while (1){modbus_task();}}
代码解释
1. 变量定义
•temperature：一个简单的变量，存储温度值，设为250（表示25.0°C）。我们用它来模拟Modbus的保持寄存器。
2. UART函数
•uart_send：发送数据的函数。这里是伪代码，实际中你需要用STM32的HAL库（比如HAL_UART_Transmit）实现。
•uart_receive：接收数据的函数。返回1表示收到数据，0表示没收到。同样是伪代码，实际用HAL库实现。
3. CRC函数
•calc_crc：计算CRC校验值。这里为了简单，返回固定值0xFFFF。实际项目中，需要用CRC16算法（查表法或计算法）来实现。
给大家分享我产品上一直在用的CRC16校验算法：
const unsigned short wCRCTalbeAbs[] ={0x0000, 0xCC01, 0xD801, 0x1400, 0xF001, 0x3C00, 0x2800, 0xE401, 0xA001, 0x6C00, 0x7800, 0xB401, 0x5000, 0x9C01, 0x8801, 0x4400,};unsigned short mt_api_crc16(unsigned char *ptr, unsigned int len){unsigned short wCRC = 0xFFFF;unsigned short i;unsigned char chChar;unsigned char temp[2];for (i = 0; i < len; i++){chChar = *ptr++;wCRC = wCRCTalbeAbs[(chChar ^ wCRC) & 15] ^ (wCRC >> 4);wCRC = wCRCTalbeAbs[((chChar >> 4) ^ wCRC) & 15] ^ (wCRC >> 4);}temp[0] = wCRC&0xFF;temp[1] = (wCRC>>8)&0xFF;wCRC = (temp[0]<<8)|temp[1];return wCRC;}
再教大家一个技巧，怎么验证CRC16校验码是否正确？
把校验码和数据再进行一次CRC16的计算，得出来新的CRC16校验码是0，就代表正确。
4. Modbus任务函数（modbus_task）
这个函数是代码的核心，处理Modbus通信的步骤：
•接收数据：用rx_buffer存储收到的数据。
•解析数据：
￮addr：第1个字节是设备地址，我们只处理地址为1的请求。
￮func：第2个字节是功能码，我们只支持03（读保持寄存器）。
￮start_addr：第3、4字节表示起始地址。
￮reg_count：第5、6字节表示要读的寄存器数量。
•检查请求：只支持读取地址0的1个寄存器。
•构造响应：
￮tx_buffer[0]：设备地址（1）。
￮tx_buffer[1]：功能码（3）。
￮tx_buffer[2]：返回的数据字节数（温度值占2字节）。
￮tx_buffer[3]和tx_buffer[4]：温度值的高低字节。
￮tx_buffer[5]和tx_buffer[6]：CRC校验值。
•发送响应：把7字节数据发出去。
5. 主函数（main）
•初始化UART，设置波特率为9600（Modbus RTU常用波特率）。
•无限循环调用modbus_task，不断处理请求。
测试方法
1.用电脑上的Modbus Poll软件模拟主设备，发送请求：
Plain Text |
￮01：设备地址
￮03：功能码
￮00 00：起始地址0
￮00 01：读取1个寄存器
￮84 0A：CRC校验
2.单片机应该返回：
Plain Text |
￮01：设备地址
￮03：功能码
￮02：数据字节数
￮00 FA：温度值250（16进制表示25.0°C）
￮XX XX：CRC校验值（简化版是0xFFFF）
4.4 调试与测试
开发中，调试工具必不可少：
•Modbus Poll：模拟主设备，测试请求。
•Modbus Slave：模拟从设备，验证逻辑。
•串口助手：查看原始数据。
5. 常见问题与解决方案
5.1 通讯故障
•地址冲突：多个从设备地址相同。解决：分配唯一地址。
•CRC错误：传输干扰或计算错误。解决：检查线路和代码。
•超时：从设备未响应。解决：确认电源和参数。
5.2 调试技巧
•用示波器检查信号。
•分步测试，从简单功能开始。
Modbus协议简单实用，是工业自动化的入门钥匙，如果有帮助，记得安排三连啊！
end
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