3、通信协议基础：RS485/RS232物理层、Modbus RTU协议帧结构、功能码详解（01/02/03/04/05/06/15/16）
各位同行，大家好。今天我们来聊聊通信协议的基础。这部分内容，说白了就是主站和从站之间「对话」的规矩。你想想看，两个人说话得用同一种语言，设备之间也一样。RS485、RS232 是物理层的「嘴巴」和「耳朵」，而 Modbus RTU 则是它们说的「语言」。我这些年调试过的项目，十有八九都离不开这套东西。咱们一个一个来拆解。
3.1 物理层：RS232 与 RS485 的区别
先说说物理层。RS232 和 RS485，这是两种最常用的串行通信标准。别看它们长得像（都是 DB9 接头），脾气可完全不一样。
RS232： 这是老前辈了。点对点通信，一根线发，一根线收，再加一根地线。传输距离短，也就 15 米左右，速率也不高。我最早做设备调试时，用的就是 RS232 连 PLC。那时候笔记本还带串口，现在嘛，都得用 USB 转串口线了。
RS485： 这才是工业现场的主力。它用差分信号传输，抗干扰能力强。最牛的是支持多站通信——一条总线上可以挂 32 个、甚至 128 个从站。传输距离能到 1200 米。嗯，这里要注意：距离长了，速率就得降下来。比如 9600bps 时跑 1000 米没问题，但你要是跑到 115200bps，能跑 100 米就算不错了。
我给大家整理了个对比表，一目了然：
| 特性 | RS232 | RS485 |
|---|---|---|
| 传输方式 | 单端（不平衡） | 差分（平衡） |
| 最大距离 | 约 15 米 | 约 1200 米 |
| 最大节点数 | 1 对 1 | 32 个（标准），可扩展 |
| 抗干扰能力 | 弱 | 强 |
| 典型速率 | 115200 bps 以内 | 10 Mbps 以内 |
| 信号线 | TX, RX, GND | A, B, GND |
3.2 Modbus RTU 协议帧结构
物理层搞定了，接下来就是协议层。Modbus RTU 是目前工业上用得最广的协议之一。它的报文结构很简洁，我给大家拆开看：
| 地址码 (1 Byte) | 功能码 (1 Byte) | 数据区 (N Bytes) | CRC 校验 (2 Bytes) |就这么简单。每个部分都有讲究：
- 地址码： 从站地址，范围 1-247。0 是广播地址，所有从站都收，但不回复。
- 功能码： 告诉从站要干什么。读线圈、读寄存器、写线圈……后面细说。
- 数据区： 具体参数。比如读哪个寄存器、读几个、写什么值。
- CRC 校验： 循环冗余校验。保证数据在传输过程中没被干扰。我见过有人偷懒不校验，结果现场一有变频器启动，数据就乱套了。
举个例子，主站要读取地址为 01 的从站，从寄存器 0000 开始读 2 个寄存器：
主站发送：01 03 00 00 00 02 C4 0B
从站回复：01 03 04 00 0A 00 14 XX XX你看，主站发的是：地址 01，功能码 03（读保持寄存器），起始地址 0000，数量 0002，CRC 校验 C40B。从站回复：地址 01，功能码 03，数据长度 04（4 个字节），数据 000A（10）和 0014（20），最后是 CRC。
3.3 功能码详解
功能码是 Modbus 协议的核心。我挑最常用的 8 个功能码来讲。这些你调试时几乎天天碰到。
3.3.1 位操作功能码（01、02、05、15）
01 - 读线圈状态： 读取从站的数字量输出（DO）。比如 PLC 控制了一个继电器，你想知道它现在通没通，就用 01 功能码。
02 - 读离散输入状态： 读取从站的数字量输入（DI）。比如一个按钮按下了没有，或者一个限位开关触发了没有。
05 - 写单个线圈： 控制一个数字量输出。比如让一个继电器吸合或断开。数据区：0xFF00 表示 ON，0x0000 表示 OFF。
15 - 写多个线圈： 一次控制多个数字量输出。比如你要同时启动 8 个指示灯，用 15 功能码一次搞定。
3.3.2 字操作功能码（03、04、06、16）
03 - 读保持寄存器： 这是最常用的功能码。读取从站的模拟量输出或参数设置值。比如变频器的频率设定值、PID 的给定值。
04 - 读输入寄存器： 读取从站的模拟量输入。比如温度传感器、压力变送器的实时数值。
06 - 写单个寄存器： 设置一个寄存器的值。比如给变频器写一个目标频率。
16 - 写多个寄存器： 一次写多个连续的寄存器。比如你要更新 PID 的三个参数（P、I、D），用 16 功能码一次搞定，效率高很多。
我给大家整理了一个速查表：
| 功能码 | 名称 | 操作对象 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| 01 | 读线圈 | DO | 读取继电器状态 |
| 02 | 读离散输入 | DI | 读取按钮、限位开关 |
| 03 | 读保持寄存器 | AO / 参数 | 读取变频器频率 |
| 04 | 读输入寄存器 | AI | 读取温度、压力值 |
| 05 | 写单个线圈 | DO | 控制单个继电器 |
| 06 | 写单个寄存器 | AO / 参数 | 设置目标频率 |
| 15 | 写多个线圈 | DO | 批量控制指示灯 |
| 16 | 写多个寄存器 | AO / 参数 | 批量更新 PID 参数 |
3.4 知识体系结构图
下面这张图，把本章的核心逻辑串起来了。从物理层到协议层，再到功能码的应用，一目了然。
这张图把整个知识体系串起来了。从底层的 RS232/RS485 物理层，到中间的 Modbus RTU 协议帧结构，再到上层的 8 个功能码。你调试时，脑子里要有这张图。遇到问题，先定位是物理层的问题（比如线没接好、干扰大），还是协议层的问题（比如地址配错了、CRC 算错了），还是功能码用错了。
好了，这一章就到这里。内容不多，但都是干货。你把这些吃透了，后面讲主从站协同调试时，就会轻松很多。