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modbus_master_f103rc: 700行的modbus主站代码，支持异步同步收发，03 04 06 10功能码

modbus_slave_f103c8: 300行的modbus从站代码，支持03 06 10功能码

1. 什么是 Modbus RTU？

Modbus RTU 是 Modbus 协议家族中的一种传输模式，专注于在串行通信（Serial Communication）线路上通过二进制数据格式进行高效的数据交换。它遵循主从（Master-Slave）通信模型：通常有一个主站（Master）设备（如PC或PLC）发起请求，一个或多个从站（Slave）设备（如传感器或控制器）响应该请求。

Modbus RTU 的核心优势在于：

• 简单可靠：协议结构极为精炼，易于理解和在嵌入式系统中实现，出错率低。

• 开放免费：Modbus 协议是完全开放且免授权费的，极大促进了其在工业领域的普及。

• 广泛支持：市场上的绝大多数工业自动化设备都内置或支持 Modbus RTU 接口，兼容性极佳。

• 高效传输：采用紧凑的二进制格式传输数据，相比 Modbus ASCII 模式，具有更高的传输效率。

2. 物理层：Modbus RTU 的载体

Modbus RTU 协议本身只定义了数据报文的结构，而底层的物理连接则依赖于串行通信标准。最常见的物理层标准是：

RS-485

RS-485 是 Modbus RTU 在工业应用中最常见的选择，其优势显著：

• 多点通信：支持半双工多点通信，一个主站可以连接多达32个从站（通过中继器可扩展更多）。
• 传输距离远：标准传输距离可达1200米。
• 抗干扰能力强：采用差分信号传输，对共模噪声具有良好的抑制能力，适用于工业恶劣环境。
• 布线简单：通常采用两根双绞线（A线和B线）进行连接。

3. 协议基础结构：Modbus RTU 数据帧

一个标准的 Modbus RTU 数据帧（或称报文）是主站与从站之间进行通信的基本单位。它包含以下几个关键部分：

3.1 数据帧格式概览

1
2

[从站地址] [功能码] [数据字段] [CRC校验]
    1字节    1字节   N字节      2字节

复制

3.1.1 从站地址（Slave Address）- 1个字节

• 作用：用于唯一标识网络上的目标从站设备。
• 范围：通常为 1-247。
  • 0 是广播地址，发送给所有从站，但从站不响应。
  • 248-255 为保留地址。
• 要求：每个从站设备在 Modbus 网络中必须配置一个唯一的地址。

3.1.2 功能码（Function Code）- 1个字节

• 作用：定义了主站希望从站执行的操作类型（如读取数据、写入数据）。
• 最常用功能码列表：

3.1.3 数据字段（Data Field）- 变长

• 作用：包含执行特定功能所需的具体信息，如起始地址、读取或写入的数量、要写入的值等。
• 长度：根据功能码的不同而变化。
  • 读取请求：通常包含起始地址和数量。
  • 写入请求：通常包含起始地址和要写入的值。

3.1.4 CRC校验（Cyclic Redundancy Check）- 2个字节

• 作用：提供数据的完整性校验，用于检测在传输过程中是否发生错误。
• 算法：Modbus RTU 使用 CRC-16 算法。
  • 发送方计算从从站地址到数据字段末尾的所有字节的 CRC 值，并将其附加在帧的末尾（低字节在前，高字节在后）。
  • 接收方接收到数据帧后，以同样的方式对接收到的数据（不含接收到的 CRC）进行 CRC 计算。
  • 如果计算结果与接收到的 CRC 值不匹配，则认为数据传输有误，从站通常会丢弃该帧不予处理或返回错误。

3.1.5 帧间静默时间（T3.5）

• 重要性：这是 Modbus RTU 协议中一个非常关键的特性，用于判断一帧数据的开始和结束。
• 定义：在 Modbus RTU 模式下，一个数据帧的发送必须以至少 3.5 个字符传输时间的静默间隔作为结束标志。当接收方检测到连续的 3.5 个字符的静默时间后，就会认为前一帧数据已经完整接收。同样，一个新帧的开始也必须以 3.5 个字符的静默时间作为前导。
• 作用：
  • 帧同步：确保接收方能够准确地识别一帧的边界，避免粘包或断帧问题。
  • 错误检测：如果两个字符之间的静默时间超过 1.5 个字符但小于 3.5 个字符，则认为这是一个传输错误（可能表示帧被截断）。
• 计算：T3.5 = (3.5 * 10位 / 波特率) 秒（每个字符通常包含1起始位+8数据位+1停止位 = 10位）。例如，在9600 bps下，T3.5约为3.64毫秒。

4.硬件载体：485常见电路

• 自动收发与非自动收发只是收发方向切换方案不同，多一个引脚的问题，主要看硬件成本

4.1 非自动收发

4.2 自动收发电路

三极管方案可能会影响速度，除了用7CHC也可以直接用带自动收发得芯片比如MAX13487，就是比较贵

5. 收发示例

通过具体的命令和响应示例，我们可以更好地理解 Modbus RTU 的工作方式。

5.1 示例1：读取温度传感器数据（功能码 0x03 - 读取保持寄存器）

假设我们有一个地址为 1 的温度传感器，其当前温度值存储在保持寄存器（Holding Register）的地址 40001 (Modbus协议偏移地址 0x0000)。我们要读取这一个寄存器的值。

发送命令（主站 -> 从站）：

1

01 03 00 00 00 01 84 0A

复制

命令解析：

• 01：从站地址为 1。
• 03：功能码为 3 (0x03)，表示读取保持寄存器。
• 00 00：起始寄存器地址为 0x0000 (对应 Modbus 参考地址 40001)。
• 00 01：请求读取 1 个寄存器。
• 84 0A：CRC-16 校验码。

设备响应（从站 -> 主站）：

1

01 03 02 00 64 B9 30

复制

响应解析：

• 01：从站地址为 1。
• 03：功能码为 3 (0x03)，正常响应。
• 02：数据字节数，表示接下来的数据有 2 个字节（因为读取了 1 个 16 位寄存器，即 2 个字节）。
• 00 64：实际读取到的数据。0x0064 转换为十进制是 100。
• B9 30：CRC-16 校验码。

结果：主站成功读取到温度值为 100 (可能是摄氏度、华氏度或带小数点的整数，具体取决于设备约定)。

5.2 示例2：设置输出线圈状态（功能码 0x05 - 强制单个线圈）

要将地址为 2 的设备的输出线圈（Coil）地址 00001 (Modbus协议偏移地址 0x0000) 设置为开启状态。

发送命令（主站 -> 从站）：

1

02 05 00 00 FF 00 8C 3A

复制

命令解析：

• 02：从站地址为 2。
• 05：功能码为 5 (0x05)，表示强制单个线圈。
• 00 00：线圈地址为 0x0000 (对应 Modbus 参考地址 00001)。
• FF 00：写入的值。0xFF00 表示将线圈设置为 ON（开启），0x0000 表示设置为 OFF（关闭）。
• 8C 3A：CRC-16 校验码。

设备响应（从站 -> 主站）：

1

02 05 00 00 FF 00 8C 3A

复制

响应解析：

• 对于功能码 0x05，从站的正常响应是将其接收到的请求帧原样返回给主站，以确认操作已成功执行。
• 02：从站地址为 2。
• 05：功能码为 5。
• 00 00：线圈地址为 0x0000。
• FF 00：确认线圈被设置为 ON。
• 8C 3A：CRC-16 校验码。

结果：从站的线圈 00001 被成功设置为开启状态。

6.主站与从站示例程序

• 如果使用成熟库推荐agile_modbus，因为有中文说明，用法也简单
• 也可以参考最上面我的库

6.1 主站

• 不使用库，说明一般需求比较简单，就是读个数据，直接封包发送即可，使用库请参考所需要库的API

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HAL_GPIO_WritePin(RS485_EN_GPIO_Port, RS485_EN_Pin, GPIO_PIN_SET)
uint8_t Master_CmdBuf[10] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x02, 0x00, 0x01, 0x84, 0x0A};
HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, Master_CmdBuf, 8);
HAL_GPIO_WritePin(RS485_EN_GPIO_Port, RS485_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET)

6.2 从站

• 如果不想用库同时需要简单从站代码实现，请参考下方代码实现，本人用了300多一点行代码实现的从站代码
• git clone https://gitee.com/workspaces_mcu/modbus_slave_f103c8.git