Modbus RTU与RS-485协议介绍

参考文章：ModBus协议

参考文章：一篇文章了解 RS485 和 MODBUS 的区别，它们有什么不同？

一、引言

Modbus RTU和RS-485是工业通信中常用的两种协议。Modbus RTU 是一种数据表示协议，而 RS-485 则是物理传输标准。尽管这两者有时被并列讨论，但它们在通信系统中的角色却大不相同。以下内容将详细分析这两种协议，并解释它们如何结合使用。

二、Modbus RTU 协议介绍

2.1 Modbus RTU 协议简介

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）协议是Modbus协议的一种，主要应用于工业自动化系统中。它以二进制形式传输数据，并采用CRC校验方式确保数据的正确性¹。

2.2 Modbus RTU 协议帧结构

Modbus RTU协议的数据帧结构如下²:

[设备地址][功能码][数据][CRC校验]

其中：

• 设备地址：一个字节，表示从站设备的地址；
• 功能码：一个字节，定义了主机需要执行的操作类型；
• 数据：n个字节，该部分的内容和长度取决于功能码；
• CRC校验：两个字节，用于错误检测。

主站设备、从站设备与从站设备地址

从站设备（Slave设备）：在Modbus RTU协议中，通信网络包含一个主站设备（Master）和多个从站设备（Slave）。这种配置被称为主-从模式或者客户端-服务器模式。

从站设备，也称为Slave设备，是一种被动的设备，它不会自行发送数据，只有当接收到主站设备的请求时，才会响应并返回相应的数据³。这些数据可能包括传感器读数、状态信息、诊断信息等。

从站设备的具体实现可以非常多样，包括各类工业控制设备如PLC（Programmable Logic
Controller），智能仪表，驱动器，以及其他任何需要与主站设备通信的设备。

在一个典型的Modbus RTU网络中，可能存在一个主站设备和多个从站设备。主站设备通过广播地址或特定的从站地址，来向所有从站设备或某个特定的从站设备发送指令或请求数据。

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从站设备地址：在Modbus RTU协议中，从站设备的地址是用来识别网络中的特定设备的唯一标识符。这个地址被编码在每一个Modbus消息帧的开始部分。
对于RS-485通信系统中的Modbus RTU协议，从站设备的地址范围为0到247。地址0通常被保留作为广播地址，当主站设备需要向所有从站设备发送消息时，会使用此广播地址。而地址1至247则被分配给单个从站设备，以便主站设备能够与指定的从站设备进行通信⁴。
需要注意的是，每个从站设备的地址必须在整个Modbus网络中是唯一的。如果有两个或更多的设备被配置了相同的地址，将会导致通信冲突和数据错误。

2.3 Modbus RTU 协议举例

假设主机需要读取从站设备1的保持寄存器30029和30030，那么对应的Modbus RTU帧如下：

01 03 00 1C 00 02 B8 44

解析：

• 01：设备地址；
• 03：功能码（读取保持寄存器）；
• 00 1C：起始寄存器地址（转换为十进制就是28，再加上基地址30001等于30029）；
• 00 02：读取的寄存器数量（2个）；
• B8 44：CRC校验。

三、RS-485 协议介绍

3.1 RS-485 协议简介

RS-485 是一种差分信号传输方式，其主要优点在于具有较高的抗电磁干扰能力和传输距离⁵。

3.2 RS-485 物理连接方式

RS-485 通常采用两线半双工或四线全双工方式进行连接。其中，两线半双工需要通过数据方向引脚（DE/RE）控制数据的收发⁶。

3.3 RS-485 与 Modbus RTU 的关系

RS-485 仅定义了物理层的标准，而 Modbus RTU 定义了如何封装数据并进行通信。因此，Modbus RTU 常常运行在 RS-485 上，通过 RS-485 进行物理通信⁷。

简单来说，你可以将RS-485比作运输公司，负责将包裹（数据）从一个地方运到另一个地方，而Modbus RTU则像是包裹内的商品清单，描述了包裹里有什么东西（数据的结构和含义）。如果没有RS-485，你无法将数据有效地发送出去；如果没有Modbus RTU，即使数据被发送出去，接收方也无法理解数据的含义。因此，这两种协议通常会一起使用，以确保数据能够准确、可靠地从一个设备传输到另一个设备，并且接收设备能够正确理解数据的含义。

四、Modbus TCP、Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus PLUS区别

Modbus协议有多种形式，主要包括Modbus TCP、Modbus RTU以及Modbus ASCII和Modbus PLUS。这些协议在数据编码、传输介质、通信方式等方面存在一些差异。

Modbus TCP

Modbus TCP是基于TCP/IP的Modbus协议，用于以太网通信。它将Modbus消息封装在TCP/IP数据包中进行传输，使得Modbus能在现代网络设备上使用，例如通过Wi-Fi或者以太网⁸。其优点是可以使用现有的网络设备和架构，并且可以支持更大的设备数量（最多65536个设备）。

Modbus RTU

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）是最常见的Modbus实现之一，它以二进制形式编码数据，因此相比于ASCII模式具有更高的通信速度和效率。通常使用RS-232或RS-485作为物理层接口⁹。它的优点是传输效率高，但缺点是人眼无法直接读取二进制数据。

Modbus ASCII

Modbus ASCII与Modbus RTU类似，都是串行通信协议，但Modbus ASCII采用ASCII字符进行数据编码。相较于RTU，ASCII格式的数据更易于人类阅读和调试，但通信速度较慢¹⁰。

Modbus PLUS

Modbus PLUS是一种专有的、高速的（1 Mbps）令牌传递网络，使用RS-485进行通信。这种协议特别适合于需要高通信速度和大数据量传输的应用¹¹。但它需要特殊的接口卡和电缆，并且不如Modbus RTU和TCP那么常见。

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1. Modicon, “Modbus Protocol Reference Guide”, June 1996. Link ↩︎

2. Schneider Electric, “Modbus and ION Technology”, July 2004. Link ↩︎

3. Modbus Organization, “Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide V1.0b”, October 2006. Link ↩︎

4. Simply Modbus, “About Modbus RTU”, 2021. Link ↩︎

5. Maxim Integrated, “Understanding RS-485: 7 Essential Facts About RS‑485 Data Communication”, November 2018. Link ↩︎

6. Texas Instruments, “Guide to RS-485 data transmission”, December 2011. Link ↩︎

7. Real Time Automation, “The ABCs of Modbus RTU”, February 2018. Link ↩︎

8. Modbus Organization, “Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide V1.0b”, October 2006. Link ↩︎

9. Schneider Electric, “Modbus and ION Technology”, July 2004. Link ↩︎

10. Simply Modbus, “About Modbus ASCII”, 2021. Link ↩︎

11. Schneider Electric, “Modbus Plus Network Planning and Installation Guide”, 2015. Link ↩︎