Modbus协议在工业自动化领域是绝对的霸主，几乎所有PLC、变频器、仪表、传感器都支持Modbus。Modbus有几个变种：Modbus RTU走RS-485串口，Modbus TCP走以太网，Modbus ASCII走串口但用ASCII编码。其中Modbus RTU是最常用的，因为它简单、可靠、接线方便，一根RS-485总线能挂几十台设备。今天就深入聊聊Modbus RTU的协议细节和实现要点。

Modbus是主从架构，一条总线上只能有一个主机（Master），可以有多个从机（Slave），每个从机有一个唯一的地址（1到247）。主机发起请求，从机收到后响应。总线上的通信都是主机主动发起的，从机不会主动发数据。这种架构的好处是简单可靠，不会出现多台设备同时抢总线的冲突。缺点是从机不能主动上报数据，主机必须轮询各个从机。

RTU模式的帧格式由四个部分组成：从机地址（1字节）、功能码（1字节）、数据域（变长）、CRC校验（2字节，低字节在前）。常用的功能码有几个：0x01读线圈状态（数字量输出）、0x02读离散输入（数字量输入）、0x03读保持寄存器、0x04读输入寄存器、0x05写单个线圈、0x06写单个寄存器、0x0F写多个线圈、0x10写多个寄存器。掌握这几个功能码，基本就能搞定绝大多数Modbus设备。

拿功能码0x03读保持寄存器举个例子。主机发送的请求帧：[从机地址] [0x03] [起始地址高] [起始地址低] [读取数量高] [读取数量低] [CRC低] [CRC高]。从机正常响应的帧：[从机地址] [0x03] [后续字节数] [寄存器值1高] [寄存器值1低] ... [寄存器值N高] [寄存器值N低] [CRC低] [CRC高]。如果从机响应异常，会返回异常响应：[从机地址] [0x03|0x80] [异常码] [CRC低] [CRC高]，功能码最高位置1表示异常。

CRC校验是Modbus RTU的核心，用的是CRC16-MODBUS算法。初始值是0xFFFF，然后对每个字节的8个bit依次处理：右移一位，如果移出的位是1就异或0xA001。所有字节处理完后得到CRC值，发送时低字节在前、高字节在后。Python里实现CRC16非常简单，几十行代码就行。校验时把整个帧（包括CRC）算一遍，如果结果是0就对了，因为正确的CRC跟数据异或完会抵消。

Modbus RTU的帧间隔很重要。RTU模式下，帧和帧之间必须有至少3.5个字符的静默时间，设备就是靠这个静默来判断一帧结束。以9600bps波特率、8N1格式为例，一个字符是10位，3.5个字符就是35位，换算成时间是35÷9600 ≈ 3.65ms。如果连续两个字符之间的间隔超过这个时间，就认为前一帧已经结束，后一个字符开始新帧。这个规则在编程实现时特别关键，超时判断的时间阈值要算准确。

实际编程实现Modbus RTU，推荐用现成的库，Python用pymodbus，C/C++可以用FreeModbus。但有时候在单片机上自己实现也不难，核心就是四个步骤：接收串口数据、等3.5字符超时后认为一帧收完、CRC校验、解析功能码和数据。发送响应帧时也是一样的流程：组装帧、算CRC、低字节在前高字节在后发出去。

常见问题排查：设备通信不上，先查波特率、数据位、停止位、校验位这些串口参数对不对；再查从机地址有没有冲突；最后用示波器看总线上有没有波形。数据错误的话重点查CRC计算对不对、字节序有没有搞反。还有RS-485总线的终端电阻（120Ω）和偏置电阻（上下各560Ω）不能省，特别是总线比较长或者挂的设备多时。