第3章通讯协议入门

3、通讯协议入门：RS232/RS485串口通讯原理、Modbus RTU协议详解、Modbus TCP协议详解

做视觉控制器跟PLC打交道，通讯协议是绕不开的坎。我刚开始搞自动化那会儿，总觉得协议这东西太抽象，不就是两根线来回传数据嘛？后来被现实狠狠教育了一顿——线接对了，数据传不过来；数据传过来了，解析出来全是乱码。说白了，通讯协议就是双方约定好的「说话方式」，你说中文我说英文，鸡同鸭讲。

这一章，咱们就把串口通讯和Modbus协议彻底捋清楚。你想想看，工厂里90%以上的PLC都支持Modbus，搞懂了它，基本就能搞定大部分设备。

核心知识点速览

RS232 vs RS485：谁更适合工业现场？
Modbus RTU：数据怎么打包、校验、解析？
Modbus TCP：跟RTU有啥区别？
实战中常见的坑和避坑方法

3.1 RS232与RS485串口通讯原理

串口通讯，说白了就是一位一位地传数据。就像两个人打电话，一个字一个字地说。RS232和RS485是两种最常见的物理层标准，决定了信号怎么在线上跑。

RS232：老当益壮的点对点通讯

RS232是最早的串口标准之一。我记得十几年前调试第一台设备，用的就是RS232。它的特点是：

传输距离短：一般不超过15米。我在一个项目里硬拉了20米，结果数据全乱套了。
点对点通讯：一台设备只能跟另一台设备通信，不能多站组网。
电压信号：用-3V~-15V表示逻辑1，+3V~+15V表示逻辑0。抗干扰能力一般。
全双工：可以同时发送和接收数据。

实战小技巧

RS232的DB9接口，2脚是RXD（接收），3脚是TXD（发送），5脚是GND。我见过太多人把2和3接反了，结果死活通不上。记住：交叉连接——这边的TXD接那边的RXD。

RS485：工业现场的王者

RS485才是工业自动化里的主力。为什么？因为它能解决RS232的痛点。

差分信号传输：用两根线（A+和B-）的电压差来表示数据。抗干扰能力极强，我曾在变频器旁边拉RS485线，一点问题没有。
传输距离远：理论可达1200米。实际项目中我用到过800米，稳定得很。
多站组网：一条总线上可以挂32个节点（用中继器可以更多）。
半双工：同一时刻只能发送或接收，不能同时进行。

⚠️ 避坑指南

我曾经在一个项目里，RS485总线接了15台设备，结果通讯时好时坏。查了两天才发现——终端电阻没加！记住：总线两端必须各加一个120Ω的终端电阻，用来消除信号反射。不加的话，长距离通讯必出问题。

3.2 Modbus RTU协议详解

Modbus RTU是工业自动化领域最常用的通讯协议之一。它运行在RS232/RS485物理层之上，定义了数据怎么打包、怎么校验、怎么解析。

报文结构

Modbus RTU的报文结构很简单，就三部分：

地址码	功能码	数据区	CRC校验
1字节	1字节	N字节	2字节
设备地址 1~247	03读、06写、16批量写	寄存器地址+数据	CRC16低字节在前

举个例子，读取地址为1的PLC的3个寄存器，从起始地址0x0000开始：

请求报文：01 03 00 00 00 03 05 CB
  - 01：设备地址
  - 03：功能码（读保持寄存器）
  - 00 00：起始寄存器地址
  - 00 03：读取数量（3个寄存器）
  - 05 CB：CRC16校验

响应报文：01 03 06 00 01 00 02 00 03 9A 9B
  - 01：设备地址
  - 03：功能码
  - 06：数据字节数（3个寄存器×2字节）
  - 00 01 00 02 00 03：三个寄存器的值
  - 9A 9B：CRC16校验

常用功能码

实际项目中，90%的情况只用这三个功能码：

03 (0x03)：读取保持寄存器。读PLC的D寄存器、数据块都用这个。
06 (0x06)：写单个寄存器。适合设置参数、启停控制。
16 (0x10)：写多个寄存器。批量下数据时用，效率高。

寄存器地址的坑

Modbus协议里，寄存器地址从0开始编号。但很多PLC的编程软件里，地址是从1开始显示的。比如三菱PLC的D100，在Modbus里对应的地址是0x0063（99）。我刚开始做项目时，直接用了D100的编号100去读，结果读回来的数据完全不对。记住：协议地址 = PLC地址 - 1。

CRC16校验

CRC校验是Modbus RTU的保命符。没有它，数据传错了你都不知道。计算方法是：

uint16_t crc16(uint8_t *data, uint16_t len) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

这段代码我用了十年，从来没出过问题。注意：发送时低字节在前，高字节在后。

3.3 Modbus TCP协议详解

Modbus TCP就是把Modbus RTU搬到以太网上。说白了，去掉CRC校验，加上一个MBAP报文头，用TCP/IP传输。

Modbus TCP vs Modbus RTU

对比项	Modbus RTU	Modbus TCP
物理层	RS232/RS485	以太网
传输速率	9600~115200 bps	10/100/1000 Mbps
设备地址	需要（1~247）	不需要（用IP区分）
校验	CRC16	TCP/IP自带校验
报文头	无	MBAP头（7字节）

MBAP报文头

Modbus TCP的报文结构：

MBAP头（7字节） + 功能码（1字节） + 数据区（N字节）

MBAP头结构：
- 事务处理标识符（2字节）：用于匹配请求和响应
- 协议标识符（2字节）：固定为0x0000
- 长度（2字节）：后续字节数
- 单元标识符（1字节）：相当于RTU的设备地址

举个例子，读取IP为192.168.1.100的PLC的3个寄存器：

请求报文：00 01 00 00 00 06 01 03 00 00 00 03
  - 00 01：事务ID
  - 00 00：协议ID
  - 00 06：后续长度（6字节）
  - 01：单元ID（设备地址）
  - 03：功能码
  - 00 00：起始地址
  - 00 03：读取数量

我的经验

Modbus TCP比RTU简单多了，不用算CRC，不用管地址冲突。但有个坑：很多PLC的Modbus TCP端口不是默认的502。我遇到过一台设备用的是5000端口，查了半天手册才发现。所以拿到设备第一件事——确认端口号。

3.4 实战中的通讯调试技巧

通讯调试是门手艺活。我总结了几条经验：

先确认物理层：用示波器看波形，或者用串口助手发数据看回显。物理层不通，上层协议再对也没用。
用Modbus调试工具：我常用ModScan（模拟主站）和ModSim（模拟从站）。先跟模拟器通，再跟真实设备通。
抓包分析：Wireshark抓Modbus TCP包，Serial Port Monitor抓串口数据。看原始报文，问题一目了然。
注意超时处理：PLC的响应时间一般在10~100ms。我习惯设500ms超时，重试3次。太短容易误判，太长影响效率。

⚠️ 我曾经踩过的坑

有一次调试视觉控制器跟西门子S7-1200通讯，Modbus TCP怎么都连不上。查了IP、端口、寄存器地址，全对。最后发现——S7-1200默认不开启Modbus TCP服务器功能，需要在程序里调用"MB_SERVER"指令块。嗯，这种软配置问题最坑人。

通讯协议这东西，说白了就是约定。你遵守约定，设备就听你的。RS232/RS485是物理层的约定，Modbus是应用层的约定。搞懂了这些，视觉控制器跟PLC对话就是小菜一碟。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321