前言

        MODBUS协议是Modicon公司发表的一种串行通信协议，属于OSI模型中应用层的协议，现广泛应用于工业控制领域，它的主要特点是免费开放、支持多种电气接口（如RS-232、RS-485），传输介质可以是双绞线、光纤、无线等。

        RS485（即TIA485）处于OSI模型的物理层，作为上层协议的通信接口，它是针对RS232的不足而诞生的新的接口，主要特点是传输距离远、传输速率高、抗干扰性强、可以实现多机通信（一主多从）。

1、RS485通信接口

1.1、RS485物理特性

RS485电气特性通常为2线（A、B线）、半双工通信；（4线可实现全双工）

利用A、B线两端的电压差值来表示传递数据信号，接口电平低，不易损坏芯片，

逻辑“1”以AB两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑“0”以AB两线间的电压差为-(2~6)V表示；

采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强；

理论通讯距离可达1200米（100Kbps）。

1.2 、RS485一主多从连线

通常情况下RS485需要接2个匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般为120Ω）。

1.3、RS485自动收发实现原理

A、B接口用于连接485总线，

RO是接收输出端，DI是发送数据端，

RE是接收使能信号（低电平有效），DE是发送使能信号（高电平有效）。

实现原理如下：

        RE和DE通过一个IO口控制，当USART_TX输出低电平时，三极管Q1截止未导通，RE和DE由于R6上拉为高电平，DE为高电平有效，所以此时处于发送数据模式，DI为数据发送端接地，因此TX输出低电平时485处于发送模式，DI接地发送低电平信号；

当USART_TX输出高电平时，三极管Q1导通接地，RE和DE为低电平，处于接收模式，由于A端接了上拉电阻R3，B端接了下拉电阻R2，因此，TX输出高电平时485处于接收模式，AB的电压差值为逻辑“1”。

综上所述，当数据发送完成后，将TX配置为高电平，使485通常情况下处于接收模式。

2、MODBUS协议

2.1 MODBUS协议概述

Modbus协议属于OSI模型-应用层的传输协议，分为客户机和服务器（即C/S架构）；

而Modbus串行链路协议属于OSI模型-数据链路层，分为主机和从机；

客户机的功能由主机提供，服务器的功能由从机提供；

 同一时刻只能有一个主机（客户机）连接到总线上，一个或者多个从机（服务器）连接到总线上；

通信的发起端只能是主机，从机负责响应主机的请求，也就是说从机的通信都是被动的，它不会主动对主机发起通信；（主机没有地址）

主机对从机发起通信的模式有两种：

①单播模式:主机指定特定的子机地址（1~247），子机接到主机的请求后，向主机返回一个报文作为响应；

②广播模式:主机向所有子机发送请求，广播地址为0，当主机向0号地址发数据包的时候，每一个从机设备都会收到数据包，子机接收到主机的广播命令后不需要返回报文作为响应。

2.2 MODBUS通信方式

Modbus的通信方式可以分为三种：

①基于串口的Modbus-ASCII ：ASCII模式使用文本格式的数据，其中每个字节都表示一个字符。在ASCII模式下，Modbus协议使用ASCII码来表示数据。ASCII模式通常用于短距离的串行通信，例如在同一个局域网内的设备之间进行通信。

②基于串口的Modbus-RTU ：每个 8 位字节含有两个 4 位十六进制字符，这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比 ASCII 模式有更高的吞吐率，每个报文必须以连续的字符流传送，通常采用CRC-16_Modbus校验算法。

③基于网口的Modbus-TCP： Modbus-TCP基于TCP/IP协议。

在应用当中首先要确认的就是使用哪个通信方式工作，主从机必须工作在同一种模式下，且其它串行参数也要设置为相同，如波特率等；在嵌入式工业领域中最常用的还是RTU模式，下面就着重以RTU来解析。

2.3 Modbus-RTU通信模式

2.3.1 RTU报文帧格式

子节点地址对应子机地址，功能代码下文会解释，简单理解为配置读寄存器还是写寄存器。

帧最大为256字节，每个字节为11位，传输顺序为从最低有效位开始（即起始位开始）；

如果设置为奇/偶校验则为（起始位1bit+8bit数据+1bit奇偶校验位+1bit停止位）；

如果设置为无校验则为（起始位1bit+8bit数据+2bit停止位）。

2.3.2 RTU报文帧时序要求

报文帧间至少为 3.5 个字符时间的空闲间隔；

整个报文帧必须以连续的字符流发送，如果两个字符之间的空闲间隔大于 1.5 个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。

2.3.3 RTU功能码

下图为公共功能码定义：

Modbus-RTU协议不支持Modbus协议中的功能码01和02，因为它们使用了不同的数据结构来表示输入和线圈状态。此外，Modbus-RTU协议还支持一些额外的功能码，用于读取和写入保持寄存器，以便在通信过程中保持某些状态信息。这里仅介绍0x03、0x06、0x10。

2.3.3.1  读多个寄存器功能码0x03

使用该功能码读取保持寄存器连续块的内容；

寄存器地址由2个字节表示（范围为0x0000~0xFFFF）;

寄存器数量也由2个字节表示（范围为0~0x7d）。

示例：

主机读取子机地址为01，寄存器地址为0x0001为起始的连续10个寄存器值（以下为十六进制数）

主机请求帧：01  03  00  01  00  0A  CRC_L  CRC_H（即为子机地址+功能码+寄存器地址高字节+寄存器地址低字节+寄存器数量高字节+寄存器数量低字节+CRC低字节+CRC高字节）；

子机响应帧：01 03  06  00  02  00  04  00  06（即为子机地址+功能码+读取的字节数+DATA1_H+DATA1_L+DATA2_H+DATA2_L+DATA3_H+DATA3_L+CRC低字节+CRC高字节）。

2.3.3.2 写单个寄存器功能码0x06

使用该功能码向单个寄存器写入值；

寄存器地址由2个字节表示（范围为0x0000~0xFFFF）;

寄存器数量也由2个字节表示（范围为0x0000~0xFFFF）。

示例：

主机向子机地址为01，寄存器地址为0x0001写入0x03值（以下为十六进制数）

主机请求帧：01  06  00  01  00 03  CRC_L  CRC_H（即为子机地址+功能码+寄存器地址高字节+寄存器地址低字节+写入值高字节+写入值低字节+CRC_L_CRC_H）;

子机响应帧：01  06  00  01  00 03  CRC_L  CRC_H（即为子机地址+功能码+输出寄存器地址高字节+输出寄存器地址低字节+输出写入值高字节+输出写入值低字节+CRC_L_CRC_H）。

2.3.3.3 写多个寄存器值0x10

使用该功能码写连续寄存器块(1 至约 120 个寄存器)；

同上面两个功能码同理，就不一一介绍了；

2.3.3.4  其它功能码

错误码：0x86

异常码：01、02、03、04

等等

2.3.4 CRC校验

基于循环冗余校验 (CRC - Cyclical RedundancyChecking) 算法的错误检验域；

CRC 检验是对整个报文帧内容的校验，即使没有奇偶校验位，也要执行此检验；

CRC 的值由主机端根据算法计算而来，它由两个字节组成，低字节在前，高字节为报文发送的最后一个字节；从机接受到报文后也会去计算CRC值，计算结果与主机发送过来的CRC值比较，相等即为校验通过，传输的数据无误。