MODBUS RTU通信协议详解与调试指南

news2025/5/18 12:51:12

一、MODBUS RTU简介

MODBUS RTU（Remote Terminal Unit）是一种基于串行通信（RS-485/RS-232）的工业标准协议，采用二进制数据格式，具有高效、可靠的特点，广泛应用于PLC、传感器、变频器等工业设备。

1. 主要特点

通信方式：主从模式（Master/Slave）
传输介质：RS-485（推荐）/ RS-232
数据格式：二进制（HEX）
校验方式：CRC-16（循环冗余校验）
默认波特率：9600、19200、38400、115200等
最大从站地址：247（地址范围1~247，0为广播地址）

二、MODBUS RTU数据帧格式

1. 基本帧结构

字段	说明	长度（字节）
从站地址	设备地址（1~247）	1
功能码	操作类型（读/写等）	1
数据域	寄存器地址、数据等	N
CRC校验	循环冗余校验（低字节在前）	2

2. 常用功能码

功能码	名称	操作
01	读取线圈状态	读取单个/多个DO（0x/1x）
02	读取输入状态	读取DI（1x）
03	读取保持寄存器	读取多个AO（4x）
04	读取输入寄存器	读取AI（3x）
05	写单个线圈	控制单个DO（0x）
06	写单个寄存器	写入单个AO（4x）
10（0x10）	写多个寄存器	写入多个AO（4x）

三、MODBUS RTU通信示例

1. 读取保持寄存器（功能码03）

请求帧（Master → Slave）：

[从站地址][功能码][起始地址高8位][起始地址低8位][寄存器数量高8位][寄存器数量低8位][CRC低8位][CRC高8位]

示例：读取从站地址1的保持寄存器40001（0x0000），读取1个寄存器

01 03 00 00 00 01 84 0A

解析：

01：从站地址1
03：功能码03（读保持寄存器）
00 00：寄存器地址0x0000（对应40001）
00 01：读取1个寄存器
84 0A：CRC校验

响应帧（Slave → Master）：

[从站地址][功能码][字节数][数据1高8位][数据1低8位][CRC低8位][CRC高8位]

示例：返回数据1234（0x04D2）

01 03 02 04 D2 B8 5F

解析：

01：从站地址1
03：功能码03
02：返回2字节数据
04 D2：数据0x04D2（十进制1234）
B8 5F：CRC校验

四、MODBUS RTU调试方法

1. 使用串口调试助手

连接设备：
- 使用USB转485转换器连接PC和设备
- 确保A/B线正确连接（A-A，B-B）
- 终端电阻（120Ω）在长距离通信时需启用
参数设置：
- 波特率：9600（默认）
- 数据位：8
- 停止位：1
- 校验位：无
发送MODBUS RTU指令：
- 输入16进制格式指令，如 01 03 00 00 00 01 84 0A
- 点击发送，观察返回数据
解析响应：
- 检查返回的CRC是否正确
- 解析数据域（如 04 D2 表示1234）

2. 使用MODBUS Poll（专业调试工具）

可自动计算CRC
支持多种功能码测试
提供数据解析和图表显示

五、CRC-16校验计算

MODBUS RTU采用CRC-16校验，计算步骤如下（C语言示例）：

#include <stdint.h>

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 >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

示例：
计算 01 03 00 00 00 01 的CRC：

uint8_t data[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01};
uint16_t crc = crc16(data, 6);  // 返回 0x840A（低字节在前：0A 84）

六、常见问题与解决方案

问题	可能原因	解决方案
无响应	1. 接线错误（A/B反接） 2. 波特率不匹配 3. 从站地址错误	检查接线、波特率、地址
CRC校验错误	1. 数据损坏 2. 校验算法错误	检查通信线路，重新计算CRC
返回异常码（错误响应）	1. 功能码不支持 2. 寄存器不存在	检查设备文档，确认功能码和寄存器范围