Modbus RTU是一种基于串行通信(RS232/RS485)的开放协议，采用二进制编码和主从架构，通过设备地址识别、功能码操作及CRC校验实现工业设备间的数据读写。其特点是协议简单、实时性强，支持PLC、传感器等设备的高效轮询通信，广泛应用于工业自动化领域的设备监控与控制，成为现场总线中的通用标准之一。
一、 Modbus RTU协议概述
Modbus RTU(Remote Terminal Unit)是一种广泛应用于工业自动化领域的串行通信协议，由Modicon公司(现施耐德电气的一部分)于1979年推出，最初用于可编程逻辑控制器(PLC)及其周边设备之间的通信。该协议采用二进制数据传输方式，具有简单高效、开放性强、兼容性好等特点，支持RS-232、RS-485等物理接口，能够满足工业环境对可靠性和抗干扰能力的严格要求。
Modbus RTU协议基于主从架构(Master/Slave)进行通信，网络中一个主设备负责发起请求，最多可寻址247个从设备(地址范围1-247)，每个从设备都有唯一地址标识。这种通信模式采用请求-响应机制，主设备向特定从设备发送命令帧，从设备处理命令后返回响应帧，保证了通信的有序性和确定性。协议支持多种功能操作，包括读取线圈状态、读取输入寄存器、写入单个寄存器、写入多个寄存器等，覆盖了工业自动化中大部分数据交换需求。
Modbus RTU的典型应用场景包括：
- 工业过程控制：连接PLC、DCS、传感器和执行器等设备
- 数据采集与监控系统(SCADA) ：实时采集现场设备数据
- 楼宇自动化：控制 HVAC、照明等系统
- 智能家居与物联网：设备间数据交换与控制
二、 Modbus RTU报文帧结构详解
Modbus RTU协议采用紧凑的二进制帧格式，具有结构简单、传输效率高的特点，特别适合对实时性要求较高的工业应用场景。一个完整的Modbus RTU帧由多个字段组成，每个字段都有其特定功能和作用。
1. 帧结构组成
Modbus RTU消息帧的基本结构如下表所示：
| 组成字段 | 长度 | 描述 | 取值范围 |
|---|---|---|---|
| 地址域 | 1字节 | 标识目标从设备的地址 | 0x00-0xFF (0为广播地址) |
| 功能码 | 1字节 | 指定要执行的操作类型 | 0x01-0xFF |
| 数据域 | N字节 | 包含请求或响应的具体数据，长度可变 | 0-252字节 |
| CRC校验 | 2字节 | 循环冗余校验码，用于检测传输错误 | 0x0000-0xFFFF |
表1：Modbus RTU帧结构组成
整个RTU帧的最大长度为256字节，其中数据域的最大长度为252字节，确保了数据传输的效率和可靠性。与Modbus ASCII协议不同，RTU协议没有明确的起始和结束符，而是通过静默时间(至少3.5个字符传输时间)来界定帧的边界。这种设计使得RTU协议比ASCII协议传输效率更高，在相同波特率下能够传输更多有效数据。
2. 帧起始与结束判定
Modbus RTU帧的识别不依赖于特定的起始和结束字符，而是通过时间间隔进行判断：
- 帧起始：在线路上检测到至少3.5个字符时间的静默期后，第一个接收到的字节标识为新帧的开始
- 帧结束：在最后一个字节接收完成后，再次出现3.5个字符时间的静默期，标识帧结束
这种基于时间的帧界定方法要求接收设备具有精确的定时机制，以确保正确识别完整的消息帧。静默时间的计算基于波特率，例如在9600bps的波特率下，传输1个字符(包括起始位、数据位、停止位)通常需要约1.04ms(11位/字符 ÷ 9600位/秒)，因此3.5个字符时间约为3.64ms。
三、 地址域、功能码和数据域详解
1. 地址域(Address Field)
地址域是Modbus RTU帧中的第一个字节，用于标识通信的目标设备。该字段长度为1字节(8位)，理论上可支持0-255共256个地址，但实际应用中通常只使用1-247地址范围。
地址域的功能特点包括：
唯一性：每个从设备在总线上的地址必须唯一，避免地址冲突
寻址功能：主设备通过地址域指定要通信的从设备，只有地址匹配的从设备才会响应请求
广播地址：地址0(0x00)作为广播地址，主设备向该地址发送消息时，所有从设备都会接收并执行命令，但从设备不响应广播消息
地址域的运用使得Modbus网络可以支持多设备连接，通过RS-485接口最多可连接256个设备(包括广播地址)，满足复杂工业系统的组网需求。
2. 功能码(Function Code)
功能码是Modbus RTU帧中紧随地址域后的第二个字节，用于指定从设备需要执行的操作类型。功能码长度为1字节(8位)，取值范围为1-255(0x01-0xFF)，其中1-127为公共功能码，128-255用于异常响应。
常用功能码及其功能如下表所示：
| 功能码(十六进制) | 名称 | 功能描述 | 访问数据类型 |
|---|---|---|---|
| 0x01 | Read Coils | 读取线圈状态（离散量输出） | 位（可读写） |
| 0x02 | Read Discrete Inputs | 读取离散输入状态（开关量输入） | 位（只读） |
| 0x03 | Read Holding Registers | 读取保持寄存器内容 | 16位字（可读写） |
| 0x04 | Read Input Registers | 读取输入寄存器内容 | 16位字（只读） |
| 0x05 | Write Single Coil | 写入单个线圈状态 | 位（可写） |
| 0x06 | Write Single Register | 写入单个保持寄存器 | 16位字（可写） |
| 0x0F | Write Multiple Coils | 写入多个线圈状态 | 位（可写） |
| 0x10 | Write Multiple Registers | 写入多个保持寄存器 | 16位字（可写） |
表2：Modbus常用功能码一览
功能码决定了后续数据域的格式和内容。当从设备正常执行请求时，响应帧中的功能码与请求帧保持一致;当出现异常时，响应帧中的功能码会将最高位设置为1(即原功能码+0x80)，并在数据域中包含异常代码。
3. 数据域(Data Field)
数据域是Modbus RTU帧中长度可变的部分，位于功能码之后、CRC校验字段之前，最大长度为252字节。数据域的具体内容和格式取决于功能码的类型，主要包括以下几种形式：
请求帧数据域：通常包含要访问的寄存器地址、数据数量或要写入的数据值
例如：读取保持寄存器请求中，数据域包含起始地址(2字节)和寄存器数量(2字节)
例如：写入多个寄存器请求中，数据域包含起始地址(2字节)、写入数量(2字节)、字节计数(1字节)和寄存器数据(N字节)
响应帧数据域：包含请求执行的结果，如读取的数据值或写入操作确认
例如：读取保持寄存器响应中，数据域包含字节计数(1字节)和寄存器数据(N字节)
例如：写入单个寄存器响应中，数据域包含写入地址(2字节)和写入数据(2字节)
异常响应数据域：当发生错误时，数据域包含异常代码，指示错误类型
例如：异常码0x02表示”非法数据地址”，即请求的寄存器地址不存在或不可访问
数据域的组织方式体现了Modbus协议的灵活性，能够适应不同类型的数据访问需求。需要注意的是，Modbus协议中所有数据地址均从零开始编址，但许多设备厂商在文档中使用基于1的地址编号(如40001、30002等)，实际通信时需要转换为零基地址。
四、 CRC校验机制
CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)是Modbus RTU协议中用于检测传输错误的机制，位于帧的末尾，长度为2字节。CRC校验能够有效检测单比特错误、双比特错误、奇偶校验错误以及突发错误，保证数据传输的完整性和可靠性。
1. CRC校验原理
Modbus RTU使用CRC-16校验算法，具体多项式为：x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1(对应的十六进制表示为0x8005)。该算法对从地址域到数据域的所有字节进行计算，生成16位的校验值，附加在消息帧的末尾。
CRC校验值的计算步骤如下：
初始化一个16位寄存器为0xFFFF(全1)
将消息帧中的每个字节与寄存器中的值进行异或操作
对寄存器中的每一位进行检测，如果最低位为1.则右移一位并与多项式0x8005进行异或;如果最低位为0.则仅右移一位
重复步骤3直至处理完所有8位
重复步骤2-4处理消息中的下一个字节，直至所有字节处理完毕
最终寄存器中的值即为CRC校验码
2. CRC校验码的传输
CRC校验码在消息帧中以低字节在前(little-endian)的顺序传输，即先传输CRC的低字节，然后传输高字节。例如，如果计算出的CRC值为0x3B80.则在消息帧中传输顺序为0x80后跟0x3B。
在接收端，设备会对收到的消息(除CRC字段外)重新计算CRC值，并将其与接收到的CRC值进行比较：
如果两者一致，认为数据传输正确，处理该消息
如果两者不一致，认为数据传输过程中出现错误，丢弃该消息
这种校验机制确保了Modbus RTU通信在噪声环境下的可靠性，是其在工业现场广泛应用的重要基础。
五、 典型Modbus RTU报文实例分析
1. 读取保持寄存器请求与响应
读取保持寄存器是Modbus RTU最常见的操作之一，用于获取从设备中保持寄存器的值。以下是一个完整的请求响应示例：
主机请求帧(读取从设备地址0x01的保持寄存器，起始地址0x0004.数量0x0002)：
01 03 00 04 00 02 85 CA
01：从设备地址(1字节)
03：功能码(Read Holding Registers，1字节)
00 04：起始地址(2字节，地址0x0004对应Modbus地址40005)
00 02：寄存器数量(2字节，读取2个寄存器)
85 CA：CRC校验码(2字节)
从机正常响应帧：
01 03 04 00 00 00 00 21 33
01：从设备地址(1字节)
03：功能码(与请求一致，1字节)
04：字节计数(1字节，表示后面有4个数据字节)
00 00 00 00：寄存器数据(4字节，两个寄存器的值均为0x0000)
21 33：CRC校验码(2字节)
从机异常响应帧(如果请求的寄存器地址不存在)：
01 83 02 80 3B
01：从设备地址(1字节)
83：异常功能码(0x03 + 0x80 = 0x83)
02：异常代码(0x02表示非法数据地址)
80 3B：CRC校验码(2字节)
2. 写入单个寄存器请求与响应
写入单个寄存器操作用于修改从设备中单个保持寄存器的值。以下是一个完整的请求响应示例：
主机请求帧(向从设备地址0x01的保持寄存器0x0004写入值0x1234)：
01 06 00 04 12 34 4A B0
01：从设备地址(1字节)
06：功能码(Write Single Register，1字节)
00 04：寄存器地址(2字节，地址0x0004对应Modbus地址40005)
12 34：写入值(2字节，值为0x1234)
4A B0：CRC校验码(2字节)
从机正常响应帧：
01 06 00 04 12 34 4A B0
响应帧与请求帧完全一致，表示写入操作成功完成
3. 写入多个线圈请求与响应
写入多个线圈操用于同时修改从设备中多个线圈的状态。以下是一个完整的请求响应示例：
主机请求帧(向从设备地址0x01的线圈起始地址0x0001写入2个线圈值)：
01 0F 00 01 00 02 02 01 00 6C 09
01：从设备地址(1字节)
0F：功能码(Write Multiple Coils，1字节)
00 01：起始地址(2字节，地址0x0001对应Modbus地址00002)
00 02：线圈数量(2字节，写入2个线圈)
02：字节计数(1字节，表示后面有2个数据字节)
01 00：线圈值(2字节，第一个线圈ON，第二个线圈OFF)
6C 09：CRC校验码(2字节)
从机正常响应帧：
01 0F 00 01 00 02 54 0D
01：从设备地址(1字节)
0F：功能码(与请求一致，1字节)
00 01：起始地址(2字节)
00 02：线圈数量(2字节)
54 0D：CRC校验码(2字节)
通过这些实例可以看出，Modbus RTU协议的请求-响应机制十分清晰，正常响应通常回显请求中的地址和参数信息，而异常响应则通过功能码最高位置1和异常代码来指示错误类型。
