Modbus协议的校验机制根据其传输模式的不同而有所差异，主要分为ASCII模式、RTU模式和TCP模式。以下从校验算法、实现步骤、错误检测逻辑及协议设计原理等方面进行详细分析：
一、Modbus协议校验机制分类及工作原理
1. ASCII模式：LRC（纵向冗余校验）
算法原理：对报文中的所有字节(不包括起始符“:”和结束符CRLF)进行累加求和，忽略进位后取二进制补码作为校验值。
具体步骤：
累加求和：将报文中每个字节以8位二进制形式累加，忽略进位(即结果始终在8位范围内)。
取补码：对累加和按位取反后加1.得到LRC校验值。
附加校验值：将LRC转换为两个ASCII字符，附加在报文末尾的CRLF之前。
示例：若报文内容为01 03 04 05 12 34.累加和为0x01 + 0x03 + 0x04 + 0x05 + 0x12 + 0x34 = 0x5D，补码为0xA3.最终LRC字段为ASCII字符A3.
特点：计算简单但检错能力较弱，适用于低噪声环境。
2. RTU模式：CRC-16（循环冗余校验）
算法原理：使用CRC-16多项式(多项式为0x8005.初始值为0xFFFF)，对报文整体进行循环移位和异或运算。
具体步骤：
初始化寄存器：16位CRC寄存器初始化为0xFFFF。
逐字节处理：将每个字节与寄存器低8位异或，随后进行8次移位：
右移一位，若移出位为1.则与多项式0xA001(即0x8005的反向表示)异或。
高低字节交换：处理完所有字节后，交换CRC寄存器的高8位和低8位，得到最终校验值。
示例：报文01 03 00 00 00 01的CRC计算结果为0x84 0x0A，附加到报文末尾为01 03 00 00 00 01 84 0A。
特点：检错能力强，可检测单比特错误、双比特错误及突发错误，适用于工业环境的高可靠性需求。
3. TCP模式：无校验
原因：TCP协议本身通过序列号、确认应答和重传机制保证可靠性，因此Modbus TCP省略了CRC/LRC校验。
报文结构：在应用层封装Modbus协议，增加MBAP报文头(含事务标识符、协议标识符等)，去除串行链路中的地址和校验字段。
二、校验机制的实现细节与优化
1. LRC与CRC的性能对比
| 指标 | LRC | CRC-16 |
|---|---|---|
| 计算复杂度 | 低（仅累加和取补） | 高（位级移位和异或） |
| 检错能力 | 检测单字节错误 | 检测99.99%以上的错误（包括多位错误） |
| 适用场景 | 低干扰、低速率通信（如ASCII文本传输） | 高干扰、高速率通信（如RTU二进制传输） |
2. CRC算法的优化实现
查表法：预计算256种可能的CRC值并存储为查找表，显著提升计算速度。
硬件加速：部分微控制器内置CRC计算单元，可直接生成校验值。
三、错误检测与处理机制
1. 校验失败处理：
接收方重新计算校验值，若与接收值不匹配，则丢弃报文并等待重传。
主站通过超时机制检测未响应请求，触发重发逻辑。
2. 多层校验组合：
奇偶校验：每个字符帧附加奇偶校验位(偶校验/奇校验)，检测单字符传输错误。
帧校验：LRC或CRC校验覆盖整个报文，确保数据完整性。
四、设计原理与协议演进
1. 历史背景：
ASCII模式：早期为兼容7位ASCII设备设计，牺牲效率提升可读性。
RTU模式：优化二进制传输效率，适应工业实时性需求。
TCP模式：适应以太网普及，利用TCP/IP协议栈简化实现。
2. 安全性考量：
校验机制仅能检测错误，无法防止恶意篡改，需结合加密协议(如Modbus Secure)提升安全性。
五、应用示例
1. ASCII模式报文：
:010310010001E1\r\n
01(地址)、03(功能码)、1001(寄存器地址)、0001(数据)、E1(LRC)。
2. RTU模式报文：
01 03 10 00 00 01 D6 C3
D6 C3为CRC校验值。
六、总结
Modbus的校验机制通过分层设计(字符级奇偶校验 + 报文级LRC/CRC)保障数据传输可靠性。ASCII模式的LRC适合简单场景，RTU的CRC-16提供工业级鲁棒性，而TCP模式依赖底层协议实现高效传输。实际应用中需根据环境噪声、设备兼容性及性能需求选择合适的模式。
