Modbus RTU

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是一种在工业环境中广泛使用的串行通信协议。它基于Modbus协议的一种实现，通过串行线（如RS-232或RS-485）进行通信，主要用于设备间的简单通信。由于其开放性、简单性和广泛的支持，Modbus RTU成为了工业通信中的事实标准之一。

TIP

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基本概念

Modbus RTU帧结构：每个Modbus RTU消息帧以设备地址开始，后跟功能码、数据、以及一个循环冗余检查（CRC）校验码结束。设备地址标识了网络上的特定设备，功能码指定了要执行的操作（如读取数据、写入数据等），数据部分包含了指令或指令的回复，CRC校验码用于检测传输错误。
主站/从站模式：Modbus RTU采用主站/从站（或主从）模式。在任何给定的Modbus网络中，有一个设备充当主站，负责发起请求。其余设备作为从站，响应主站的请求。每个从站设备都有一个唯一的地址。
串行通信：Modbus RTU通过串行通信端口进行数据传输，典型的接口是RS-232或RS-485。RS-485尤其受到欢迎，因为它支持长距离通信和多设备网络。

帧结构

RTU 帧由从机地址、功能码、数据和 CRC 组成，完整帧最多 256 字节。RS485 是电气接口标准，不规定这里的功能码和寄存器含义。

字段	长度	说明
从机地址	1 字节	单播地址为 1～247；0 为广播地址，从机不返回响应
功能码	1 字节	指定读取或写入的数据类型
数据	按功能码变化	请求中可包含起始地址和数量，响应中可包含字节数与寄存器值
CRC	2 字节	对前面全部字节计算，低字节先发送

同一串行总线上由一个主站发起请求，不应让多个主站同时轮询。RTU 通过静默时间划分帧；串行规范规定帧间至少间隔 3.5 个字符时间，在波特率高于 19200 时推荐使用固定的 1.75 ms 帧间隔。实际还需给从机处理与链路传输留出时间。

功能码

Modbus RTU定义了一系列功能码，用于读取和写入数据，以及进行设备控制。这些功能码包括但不限于：

读取线圈状态（01）：读取从站的一组数字输出（线圈）的状态。
读取输入状态（02）：读取从站的一组数字输入的状态。
读取保持寄存器（03）：读取从站的一组保持寄存器中的值，这些寄存器可以由主站读写。
读取输入寄存器（04）：读取从站的一组输入寄存器中的值，这些寄存器只能由主站读取。
写单个线圈（05）：写一个数字输出（线圈）的状态。
写单个寄存器（06）：写单个保持寄存器的值。

通信流程

请求：主站发送一个请求给从站，请求中包括从站的地址、一个功能码、以及根据所请求操作的需要可能包含的数据。
处理：从站接收到请求后，解析功能码并执行相应的操作。
响应：从站处理完请求后，回送一个响应给主站。响应可能包含所请求的数据或执行操作的结果。
错误处理：如果请求不能被正确执行，从站会返回一个错误响应，其中包含错误码指示问题所在。

从机通常是传感器、执行器或 PLC 等现场设备。下文报文是用于解释编码规则的构造示例，CRC 已按文中的算法计算；不代表某个型号的实际寄存器定义。

常用从机类型

温度传感器：用于测量温度，通常会通过保持寄存器或输入寄存器提供测量值。
电机控制器：用于控制电机的启动、停止和速度调节，可能会使用线圈进行开/关控制和保持寄存器来设置参数。
PLC：可编程逻辑控制器，用于自动化控制生产过程，可以通过Modbus RTU读写其输入/输出接口和参数设置。
变频器：用于调节电机的速度，通过读写保持寄存器来设置和读取运行参数。

功能码的请求与回复例子

读取保持寄存器（功能码03）

请求：从主站读取从站保持寄存器的值。例如，主站请求从一个PLC（设备地址为01）的保持寄存器开始，读取3个寄存器的值。
请求报文示例：01 03 00 64 00 03 44 14
- 01：从站地址。
- 03：功能码，表示读取保持寄存器。
- 00 64：起始寄存器地址（100）。
- 00 03：要读取的寄存器数量（3个）。
- 44 14：CRC校验码。
回复：从站回复所请求的保持寄存器的值。
回复报文示例：01 03 06 00 0A 01 2B 00 0C C8 85
- 01：从站地址。
- 03：功能码。
- 06：字节计数（读取3个寄存器，每个寄存器2字节，共6字节）。
- 00 0A：第一个寄存器的值（10）。
- 01 2B：第二个寄存器的值（299）。
- 00 0C：第三个寄存器的值（12）。
- C8 85：CRC校验码。

写单个寄存器（功能码06）

请求：主站设置从站单个保持寄存器的值。例如，主站设置一个温度控制器（设备地址为02）的目标温度。
请求报文示例：02 06 00 01 04 D2 5A A4
- 02：从站地址。
- 06：功能码，表示写单个寄存器。
- 00 01：寄存器地址（1）。
- 04 D2：要写入的值（1234，假设这是一个温度值）。
- 5A A4：CRC校验码。
回复：从站确认写入的寄存器地址和值。
回复报文示例：02 06 00 01 04 D2 5A A4
- 报文结构与请求相同，确认已正确写入值。

这些例子展示了Modbus RTU协议中请求与回复报文的结构和含义。通过这些例子，可以看到Modbus RTU协议在工业通信中的灵活性和实用性，允许主站与从站之间进行高效的数据交换。

通信设置

Modbus RTU通信设置包括波特率（例如9600或19200 bps）、数据位（通常是8位）、停止位（1或2位）、以及奇偶校验（无、奇校验或偶校验）。这些参数必须在通信设备间事先协商一致。

应用场景

Modbus RTU广泛应用于各种工业自动化系统，如PLC（可编程逻辑控制器）、温度控制器、变频器、传感器网络等。它使得不同制造商的设备能够通过标准化方式互相通信，极大地促进了工业设备的兼容性和互操作性。

实际接入可参考 RS485/Modbus 设备通过 DTU 透传接入，完成属性定义、寄存器配置和定时读取。需要将多个从机分别管理时，参考 Modbus 云网关。

寄存器地址、字节序和倍率

设备手册中的 40001 常用来标识第一个保持寄存器，其报文地址通常为 0；也有手册直接给出从 0 开始的偏移地址。应先确认手册采用哪种记法，不要对所有地址统一减一。功能码 03 和 04 对应不同的数据区，即使地址相同也不能混用。

单个寄存器为 16 位，协议中的寄存器值高字节先传输。32 位整数或浮点数需要两个寄存器，其跨寄存器排列由设备手册定义，不能从“支持 Modbus”推断。CRC 的低字节先传输与寄存器数值的字节序是两回事。

倍率同样由设备定义。例如手册规定温度单位为 0.1 ℃，原始值 253 才表示 25.3 ℃；不要给所有温度设备套用这个比例。有符号整数与无符号整数也应分别处理。

CRC16 校验计算

Modbus RTU 使用初始值 0xFFFF，下面采用右移算法和反向多项式 0xA001。输入为不含 CRC 的报文字节，不能直接对十六进制文本的字符编码计算。

function modbusCRC16(bytes) {
  let crc = 0xFFFF;
  for (const byte of bytes) {
    crc ^= byte;
    for (let bit = 0; bit < 8; bit++) {
      crc = (crc & 1) ? (crc >>> 1) ^ 0xA001 : crc >>> 1;
    }
  }
  return [crc & 0xFF, (crc >>> 8) & 0xFF]; // 发送顺序：低字节、高字节
}

modbusCRC16([0x01, 0x03, 0x00, 0x64, 0x00, 0x03]); // [0x44, 0x14]

CRC 能检查传输错误，但不能证明寄存器地址、数据类型或倍率正确。

异常响应与排错

异常响应将原功能码的最高位置为 1，再返回异常码。例如，以下构造报文表示读取保持寄存器时遇到非法数据地址：

text

01 83 02 C0 F1

其中 83 对应请求功能码 03，02 为异常码，C0 F1 为 CRC。常见异常码包括 01（非法功能）、02（非法数据地址）、03（非法数据值）和 04（从站设备故障）。无响应与异常响应需要区别排查。

现象	优先检查
完全无响应	接线、供电、串口参数、从机地址，以及是否有多个主站同时发送
CRC 不通过	是否完整收帧，是否误把 HEX 文本当原始字节，串口参数是否一致
返回异常码 02	寄存器地址记法、读取范围，以及功能码对应的数据区
有响应但数值异常	有符号类型、跨寄存器字节序、倍率和单位
DTU 在线但属性不更新	查询任务是否执行，自定义数据流和寄存器映射是否一致

Modbus RTU ​

基本概念 ​

帧结构 ​

功能码 ​

通信流程 ​

常用从机类型 ​

功能码的请求与回复例子 ​

读取保持寄存器（功能码03） ​

写单个寄存器（功能码06） ​

通信设置 ​

应用场景 ​

寄存器地址、字节序和倍率 ​

CRC16 校验计算 ​

异常响应与排错 ​

参考资料 ​