Modbus是一种主从式串行通信协议，由施耐德公司于1979年推出，专门为工业现场设备通信设计。它的核心特点是简单、开源、兼容性强，无需复杂的硬件支持，仅通过串口（RS232/RS485）或以太网即可实现设备间的数据交互，广泛应用于PLC、传感器、变频器、嵌入式单片机等工业设备。
本文从通信架构、传输模式、帧结构、核心流程四个维度，彻底讲透Modbus协议的工作原理，覆盖嵌入式开发和工业通信的核心知识点。
一、Modbus协议的核心通信架构：主从模式
Modbus协议的通信逻辑基于主-从（Master-Slave）架构，这是它与其他对等通信协议（如TCP/IP）的核心区别，也是工业现场“集中管控”需求的直接体现。
1. 主从设备的角色定义
| 设备角色 | 核心权限 | 数量限制 | 典型设备 |
|---|---|---|---|
| 主机（Master） | 1. 主动发起通信请求（读/写指令） 2. 控制通信时序，决定何时与哪个从机通信 3. 接收并解析从机的响应数据 | 同一通信总线只能有1台主机 | 工控机、PLC（主站）、嵌入式网关、上位机软件 |
| 从机（Slave） | 1. 被动接收主机的指令，无法主动发起通信 2. 根据指令执行相应操作（如返回传感器数据、修改寄存器值） 3. 向主机返回响应帧（含执行结果或数据） | 同一总线可支持最多247台从机（地址范围1-247） | 传感器、变频器、执行器、嵌入式单片机（从站） |
2. 主从通信的核心规则
- 总线控制权唯一：任何时刻，只有主机能发起通信，从机只能等待指令，避免多设备同时发送数据导致总线冲突。
- 从机地址标识：每台从机都有唯一的地址（1-247），主机通过地址指定通信目标；地址
0为广播地址，主机发送的广播指令所有从机都会执行，但从机无需返回响应。 - 请求-响应闭环：主机发送一条指令 → 对应从机接收并处理 → 从机返回响应 → 主机解析响应，完成一次通信闭环；若从机未收到指令或指令错误，不会返回响应，主机触发超时机制。
3. 通信拓扑结构
Modbus协议支持两种主流拓扑，适配不同的传输介质：
- RS485总线拓扑（Modbus RTU/ASCII）：采用手拉手链式结构，所有设备的A/B引脚依次串联，主机位于总线一端，从机分布在总线上；总线两端需接120Ω终端电阻，减少信号反射。
- 以太网星型拓扑（Modbus TCP）：基于TCP/IP网络，所有设备连接到交换机，主机通过IP地址访问从机，突破RS485的247台从机限制，支持远程通信。
二、Modbus协议的三大传输模式：RTU/ASCII/TCP
Modbus协议根据传输介质和数据格式，分为三种主流传输模式，其中Modbus RTU是嵌入式设备的首选。
1. 三种传输模式核心对比
| 特性 | Modbus RTU | Modbus ASCII | Modbus TCP |
|---|---|---|---|
| 传输介质 | RS232/RS485串口 | RS232/RS485串口 | 以太网（TCP/IP） |
| 数据格式 | 二进制（8位字节） | ASCII字符（每个字节用2个ASCII码表示） | 基于TCP报文，二进制格式 |
| 帧分隔方式 | 帧间隔（＞3.5个字符时间） | 帧头:（0x3A）+ 帧尾\r\n（0x0D0A） | 基于TCP连接的报文长度字段 |
| 校验方式 | CRC16校验（2字节） | LRC校验（1字节） | 依赖TCP/IP的校验机制，无需额外校验 |
| 传输效率 | 高（二进制紧凑，无冗余） | 低（数据量翻倍，仅用于调试） | 最高（以太网带宽大，支持高速传输） |
| 抗干扰能力 | 强（二进制传输，校验严格） | 弱（ASCII码易受干扰） | 强（TCP/IP重传机制） |
| 嵌入式适配性 | 高（串口通信，资源占用低） | 低（仅用于调试） | 中（需以太网接口，适合网关设备） |
2. 嵌入式场景首选：Modbus RTU
在嵌入式开发中，Modbus RTU是应用最广的模式，原因如下：
- 硬件门槛低：几乎所有嵌入式单片机（如STM32、ESP32）都标配串口，搭配RS485模块即可实现通信，无需额外硬件。
- 传输效率高：二进制数据格式，无冗余字符，在低波特率下（如9600bps）也能快速传输数据。
- 工业兼容性强：绝大多数工业传感器、执行器都支持Modbus RTU协议，无需协议转换。
三、Modbus协议的核心：帧结构解析
Modbus协议的通信本质是帧的传输与解析——主机发送请求帧，从机返回响应帧，帧的格式决定了数据如何被识别和处理。
1. 通用帧结构（主从通信的“语言格式”）
无论哪种传输模式，Modbus帧都包含地址段、功能段、数据段、校验段四个核心部分，不同模式的差异仅在于字段的编码和分隔方式。
（1）Modbus RTU帧结构（嵌入式重点）
Modbus RTU帧是二进制紧凑格式，无帧头帧尾，靠3.5个字符时间的间隔区分不同帧，完整结构如下（字节序为大端序）：
| 字段 | 字节数 | 功能说明 | 取值范围/示例 |
|---|---|---|---|
| 从机地址（Slave Address） | 1 | 标识目标从机，主机通过此字段指定通信对象 | 1-247（有效地址）；0（广播地址） |
| 功能码（Function Code） | 1 | 指示从机执行的操作类型（读/写寄存器、读线圈等） | 0x01（读线圈）；0x03（读保持寄存器）；0x06（写单个寄存器） |
| 数据域（Data） | N（可变） | 包含指令参数或响应数据： - 请求帧：寄存器起始地址、寄存器数量、写入的数据等 - 响应帧：返回的数据长度、寄存器数据等 | 请求帧示例（0x03指令）：0x00 0x01 0x00 0x02 → 读起始地址0x0001，共2个寄存器 |
| CRC校验（CRC） | 2 | 用于校验帧的完整性，检测传输过程中的数据错误 | 计算方式：基于前N+2字节的CRC16算法，低字节在前，高字节在后；示例：0x85 0x39 |
关键细节：CRC16校验计算逻辑
CRC16是Modbus RTU的核心校验手段，计算步骤如下：
- 初始化CRC寄存器为
0xFFFF； - 遍历帧的前N+2字节（地址+功能码+数据域），每个字节与CRC寄存器进行异或运算；
- 对CRC寄存器循环右移1位，若最低位为1，则与多项式
0xA001异或； - 遍历完成后，CRC寄存器的值即为校验码，低字节在前存入帧尾。
（2）请求帧与响应帧的对应关系
主机发送的请求帧和从机返回的响应帧一一对应，功能码是两者的关联核心：
- 正常响应：从机返回的功能码与主机请求的功能码完全一致；数据域为请求的目标数据。
- 异常响应：从机返回的功能码为原功能码+0x80（如请求0x03，异常时返回0x83）；数据域为异常码（指示错误类型，如非法功能码、非法寄存器地址）。
2. Modbus协议的核心数据模型：四大寄存器
Modbus协议定义了四大类寄存器，用于存储不同类型的数据，主机通过功能码操作这些寄存器，这是协议与设备交互的核心接口。
| 寄存器类型 | 功能描述 | 数据类型 | 读写属性 | 常用功能码 |
|---|---|---|---|---|
| 线圈寄存器（Coils） | 存储开关量数据（如继电器状态、指示灯开关） | 1位（0/1） | 可读可写 | 0x01（读）、0x05（写单个）、0x0F（写多个） |
| 离散输入寄存器（Discrete Inputs） | 存储外部输入的开关量数据（如按钮状态、传感器触发信号） | 1位（0/1） | 只读（数据由外部设备输入） | 0x02（读） |
| 保持寄存器（Holding Registers） | 存储模拟量数据（如温度、压力、转速） | 16位（2字节） | 可读可写 | 0x03（读）、0x06（写单个）、0x10（写多个） |
| 输入寄存器（Input Registers） | 存储外部传感器的模拟量数据（如ADC采集值） | 16位（2字节） | 只读（数据由传感器输入） | 0x04（读） |
关键注意：寄存器地址是1-based（从1开始），而嵌入式代码中数组是0-based，开发时需注意地址偏移。
四、Modbus协议的通信流程：以RTU模式为例
以主机读取从机保持寄存器（功能码0x03）为例，完整拆解Modbus RTU的通信流程，这是嵌入式开发中最常用的场景。
1. 场景定义
- 主机：工控机（地址无，仅发送指令）；
- 从机：STM32嵌入式设备（地址
0x01）； - 需求：主机读取从机保持寄存器地址0x0001和0x0002的值（存储的是温度和湿度数据）；
- 串口参数：波特率9600bps，数据位8，停止位1，无校验（Modbus RTU默认配置）。
2. 完整通信流程（6步闭环）
步骤1：主机构建请求帧
根据功能码0x03的要求，请求帧需包含：从机地址+功能码+起始地址+寄存器数量+CRC校验，具体字节如下：
| 字段 | 从机地址 | 功能码 | 起始地址高位 | 起始地址低位 | 寄存器数量高位 | 寄存器数量低位 | CRC低字节 | CRC高字节 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 字节值 | 0x01 | 0x03 | 0x00 | 0x01 | 0x00 | 0x02 | 0x85 | 0x39 |
- 起始地址：
0x0001（对应寄存器1）； - 寄存器数量：
0x0002（读取2个寄存器）； - CRC校验：基于前6字节计算得到
0x3985，存储时低字节0x85在前，高字节0x39在后。
步骤2：主机发送请求帧（控制RS485收发状态）
- 主机将RS485模块的DE/RE引脚置高（切换为发送状态）；
- 主机通过串口将请求帧的8个字节发送到RS485总线；
- 发送完成后，延迟2ms（确保数据完全发送），将DE/RE引脚置低（切换为接收状态），等待从机响应。
步骤3：从机接收并校验请求帧
- 从机（STM32）通过串口中断接收总线数据，逐字节存入接收缓冲区；
- 从机检测帧间隔：若两次接收字节的时间差超过3.5个字符时间（9600bps下约4ms），判定一帧接收完成；
- 从机执行三层校验：
- 地址校验：帧首字节为
0x01，与本机地址一致，继续处理； - CRC校验：计算接收帧前6字节的CRC值，与帧尾的
0x85 0x39对比，一致则校验通过； - 功能码校验：功能码
0x03是本机支持的功能，继续处理。
- 地址校验：帧首字节为
步骤4：从机执行指令（读取寄存器数据）
- 从机解析请求帧的参数：起始地址
0x0001，寄存器数量0x0002； - 从机从保持寄存器数组中读取地址1和2的值，假设为：温度
0x012C（十进制300，对应30.0℃）、湿度0x0064（十进制100，对应10.0%RH）。
步骤5：从机构建并发送响应帧
响应帧格式：从机地址+功能码+数据长度+寄存器数据+CRC校验，具体字节如下：
| 字段 | 从机地址 | 功能码 | 数据长度 | 寄存器1高位 | 寄存器1低位 | 寄存器2高位 | 寄存器2低位 | CRC低字节 | CRC高字节 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 字节值 | 0x01 | 0x03 | 0x04 | 0x01 | 0x2C | 0x00 | 0x64 | 0x70 | 0x48 |
- 数据长度：
0x04（2个寄存器，每个2字节，共4字节数据）； - 寄存器数据：
0x012C（温度）、0x0064（湿度），按大端序存储； - CRC校验：基于前8字节计算得到，低字节
0x70在前，高字节0x48在后。
从机同样需先切换RS485为发送状态，发送响应帧后切换回接收状态。
步骤6：主机接收并解析响应帧
- 主机接收从机的响应帧，执行CRC校验；
- 主机解析数据域：
- 数据长度为
0x04，对应2个寄存器； - 寄存器1的值：
0x012C→ 十进制300 → 转换为实际温度30.0℃； - 寄存器2的值：
0x0064→ 十进制100 → 转换为实际湿度10.0%RH；
- 数据长度为
- 完成一次通信闭环，主机可根据需求发起下一次请求。
3. 异常场景处理
若从机接收的请求帧有误（如地址不匹配、功能码不支持、寄存器地址越界），则不会返回正常响应帧，而是返回异常响应帧，示例如下（功能码0x03，非法寄存器地址）：
| 字段 | 从机地址 | 异常功能码 | 异常码 | CRC低字节 | CRC高字节 |
|---|---|---|---|---|---|
| 字节值 | 0x01 | 0x83 | 0x02 | 0x44 | 0x0A |
- 异常功能码：
0x83=0x03 + 0x80； - 异常码：
0x02→ 表示“非法数据地址”（寄存器地址超出从机有效范围）。
五、Modbus协议的核心优势与局限性
1. 核心优势
- 开源免费：无专利费，任何人都可实现协议栈，嵌入式开发中可直接编写代码实现，无需第三方库。
- 硬件门槛低：支持串口和以太网，嵌入式设备只需串口+RS485模块即可接入，成本极低。
- 兼容性强：几乎所有工业设备都支持Modbus协议，不同厂家的设备可无缝通信。
- 易于调试：有成熟的上位机工具（如Modbus Poll、Modbus Slave），可快速验证通信是否正常。
2. 局限性
- 主从架构限制：无法实现从机之间的直接通信，所有通信都需通过主机中转。
- 总线带宽有限：RS485总线的波特率最高支持115200bps，且从机数量最多247台，不适合大规模组网。
- 安全性低：协议本身无加密机制，数据以明文传输，工业现场需通过物理隔离或加密网关保障数据安全。
