RS-485 与 Modbus RTU 详解

引言

车间里，PLC 到变频器隔着三百米电缆，旁边接触器和变频器持续制造干扰。UART 的”TX 对地”单端信号在自家板子上没有问题，拉出机箱就难以可靠工作。工业现场的事实标准是一对搭档：RS-485 负责电气层，规定比特如何在长线上传输；Modbus 负责协议层，规定谁说话、说什么、如何确认接收。

本页自底向上展开：差分抗噪的原理、端接与偏置、Modbus 的主从问答、帧格式与 CRC、3.5 字符静默分帧，以及驱动代码里容易踩的坑。UART 基础在嵌入式通信协议UART、I2C、SPI对比详解，这里不重复。

一、RS-485 电气层：差分抗噪

单端信号用对地电压表示 0 和 1，地被干扰抬高 2 V，信号就跟着失真。RS-485 不看绝对电压，只看 A、B 两根线的电压差：V(A)−V(B) > +200 mV 判 1，< −200 mV 判 0。干扰电压耦合到双绞线时，两根线几乎同样多（共模），相减后抵消，这是它能跑长线的原因。

TI SLLA070D Figure 9：多点拓扑——D1 是驱动器，中间 D3/R3 是收发器（既能讲又能听），R2 是纯接收器，总线两端各挂一个端接阻抗 ZT，A/A’ 与 B/B’ 为两根差分线

一根总线挂所有设备，同一时刻只允许一个驱动器发送，半双工分时复用。关键数字（出自 TI SLLA070D）：

参数	数值	说明
接收判决阈	±200 mV	差分死区 ±200 mV 内输出不定
共模范围	−7 ~ +12 V	两端地电位差再大也能正确判决
节点数	32 单元负载	1 UL ≈ 12 kΩ 输入；1/8 UL 芯片可挂 256 个
距离	最远约 1200 m	速率距离互换：10 Mbps 只能十几米，1200 m 配 100 kbps 档
拓扑	半双工多点	手拉手总线，不接星型

二、端接与偏置

信号边沿走到电缆尽头，遇到阻抗突变会把一部分能量反射回来，叠在后续位上，眼图变差。端接的做法是在电缆两端挂一个等于特征阻抗的电阻（双绞线约 120 Ω），相当于给末端接上它期望的负载，能量到头被吸收，不再反弹。

TI SLLA070D：多点端接配置——每个收发器（D 驱动、R 接收）直接挂在总线上，总线两端各以 ZT = Z0 端接

三条工程规则比记接法更重要：

端接只加两端。中间节点不端接，每多一个 120 Ω 就是把总线负载再并一份，驱动器推不动。
短线低速可以不端接。传播延时远小于位时间时，反射在采样窗之外已经稳定，加了反而加重负载；长线高速必须端接。
AC 端接省电。电阻串一个小电容隔断直流，牺牲边沿响应换功耗，电池供电的现场设备用。

还有一个隐蔽的坑：所有驱动器都释放（空闲）时，A、B 间差分是 0 V，正好落在 ±200 mV 死区里，接收器输出随机跳变，UART 一路收乱字符。解法是失效保护偏置：A 上拉、B 下拉各一个 680 Ω，无驱动时制造出固定极性。计算一下：两端 120 Ω 端接并联成 60 Ω，5 V 经 680 Ω—60 Ω—680 Ω 分压，V(A)−V(B) = 5×60/1420 ≈ 0.21 V，刚好越过死区。较新的收发器多数内置失效保护（0 V 差分时输出确定态），新设计先查数据手册再决定是否外挂。

三、Modbus：一主多从的问答

电气层只保证比特到位，Modbus 在上面定义了组织方式：单主多从，主站发起每一次报文，从站只应答被点名的单播（地址 1–247），广播（地址 0）不应答。从站不能主动发送，原因是半双工总线上没有仲裁机制：CAN 有显性位仲裁，输了自动退让（CAN总线详解），而 485 上两个驱动器同时发送会造成总线冲突，所以协议定为纯问答。

通信方式	从机地址	从机行为
单播	1–247	收到 → 处理 → 必须应答
广播	0	收到 → 处理 → 不应答（所有从机同时执行，比如全员同步启停）

RTU 模式的一帧长这样（MODBUS over Serial Line V1.02）：

MODBUS 规范 V1.02 Figure 12：RTU 帧——从机地址 1 字节、功能码 1 字节、数据 0~252 字节、CRC 2 字节（低字节在前发送），整帧最长 256 字节

字段	长度	作用
从机地址	1 B	0 广播、1–247 单播、248–255 保留
功能码	1 B	要干什么；应答同码，异常时应答最高位置 1（0x83 = 03 出错）
数据	0–252 B	寄存器地址、数量、写入值……随功能码变
CRC	2 B	整帧校验，低字节先发

常用功能码就八个，覆盖九成场景：

功能码	含义	功能码	含义
01	读线圈（开关量输出）	05	写单个线圈
02	读离散输入（开关量输入）	06	写单个寄存器
03	读保持寄存器	0F	写多个线圈
04	读输入寄存器	10	写多个寄存器

拿一个真实报文走一遍。主站问 1 号从机”读 0 号起 2 个保持寄存器”：

请求： 01 03 00 00 00 02 C4 0B
       │  │  └────┬────┘ └─CRC─┘
       │  │   起始0x0000 数量2   │
       │  功能码03=读保持寄存器  低字节C4在前
       从机地址1
应答： 01 03 04 00 0A 01 02 5A 60
       │  │  │  └────┬────┘ └─CRC─┘
       │  │  字节数4  两寄存器值    寄存器值也是高字节在前
       │  同码03=正常 0x000A=10、0x0102=258
       从机地址1

CRC 那两个字节是算出来的（下一节），顺序反一个字节，从机就丢弃整帧。

四、字符格式与 CRC：每个字节 11 位

RTU 没有字节转义、没有起始符，字符本身就是标准异步串口格式（低位在前，与嵌入式通信协议UART、I2C、SPI对比详解里的 UART 帧一致），位数固定为 11 位：

MODBUS 规范 V1.02 Figure 11：RTU 字符位序——带偶校验时为 1 起始位 + 8 数据位（低位在前）+ 1 奇偶校验位 + 1 停止位，共 11 位

校验配置	UART 参数	说明
偶校验（规范默认）	8E1	必须支持
无校验	8N2	停止位补成 2 位凑满 11 位
奇校验	8O1	可选

数据位低位在前，与 UART 硬件的天然顺序一致，不需要软件倒腾。全帧校验用 CRC-16（多项式 0x8005、初值 0xFFFF、无最终异或），逐位版十几行：

uint16_t modbus_crc16(const uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    while (len--) {
        crc ^= *buf++;
        for (int i = 0; i < 8; i++)          // 每字节 8 轮移位
            crc = (crc & 1) ? (crc >> 1) ^ 0xA001 : (crc >> 1);
    }                                        // 0xA001 是 0x8005 的反转多项式
    return crc;                              // 低字节先发！
}

// 发送侧拼帧：
// buf[n++] = crc & 0xFF;      ← CRC Low 先进缓冲区
// buf[n++] = crc >> 8;        ← CRC Hi 压轴

实现中最常见的 bug 是把高字节先发。帧图里”CRC Low、CRC Hi”的顺序就是线上顺序，查表法算出的 16 位值直接按大端塞，从机必报 CRC 错。查表法快八倍，逐位法省 512 字节 ROM，从机侧报文本来就慢，逐位足够。

五、帧定界：3.5 字符的静默

没有起始符，接收方靠静默判断一帧结束。UART 靠每个字符的起始位重新对齐，RTU 则用一段静默作为帧的边界：总线上保持至少 3.5 个字符时间的安静，就算上一帧结束、下一帧可以开始。

MODBUS 规范 V1.02：帧间静默时序——时间轴上三帧报文依次出现，帧与帧之间以”至少 3.5 字符”的总线静默分隔，第二帧之后还标出了 3.5 与 4.5 字符时间间隔的度量

反过来，帧内不允许有超过 1.5 字符的空隙：中途断流超过 1.5 字符，接收方宣布该帧作废丢弃（规范原文 NOK），等下一次静默后重新找帧头。这两条规矩把定界从协议字节挪到了时间轴上，收发双方都得有时间观念：

波特率越低，3.5 字符越长：9600 bps 下一个字符 11/9600 ≈ 1.15 ms，3.5 字符 ≈ 4.0 ms，软件轮询都来得及。
波特率高于 19200 后字符时间太短，MCU 难以精确计时，规范直接给固定值：t1.5 = 750 µs、t3.5 = 1.75 ms，不再按波特率折算。
主机连续发两帧，中间必须自己留满 3.5 字符的静默；从机应答前也要等总线静下来。

实现侧的正解是 UART 的空闲中断（IDLE）：总线上一个字符时间没有新字节就触发。它比 3.5 字符宽松（1 字符就报），但主机发完一帧必然留足静默，所以”IDLE 触发时刻 = 一帧收完”在实践中成立。配上 DMA 把字节自动搬进缓冲，CPU 全程不参与（DMA直接存储器访问详解的串口空闲 + DMA 组合正是为此）。

六、驱动代码：方向控制

485 收发器有一根 DE/RE 方向脚（常绑在一起）：高电平是驱动器占线，低电平是释放总线听别人。发送函数的关键是何时释放：

void rs485_send(uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);    // 拉高 DE：占用总线
    HAL_UART_Transmit(&huart2, buf, len, 100);            // 阻塞发完全部字节
    while (!__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2, UART_FLAG_TC)) {} // 等 TC：移位寄存器也空了
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET); // 释放总线，切回听
}

坑在最后两行的顺序：TXE 只表示数据寄存器空了，最后 1~2 字节还在移位寄存器里往外发送，此刻拉低 DE 会把它们截断，表现是”应答最后一个字节随机丢”，而且只在某些从机上复现，很难查。必须等 TC（Transmission Complete），一个不多一个不少。

接收侧骨架，IDLE + DMA + 三道检查（搬运细节见 DMA直接存储器访问详解）：

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t size)
{
    if (size >= 4) {                                    // 地址+功能+CRC 至少 4 字节
        uint16_t crc = modbus_crc16(rxbuf, size - 2);   // 校验前 n-2 字节
        if (rxbuf[size-2] == (crc & 0xFF) &&            // 低字节先发，对照别反
            rxbuf[size-1] == (crc >> 8) &&
            (rxbuf[0] == MY_ADDR || rxbuf[0] == 0)) {   // 地址匹配，或广播
            handle_request(rxbuf, size);                // 组织应答，rs485_send 出去
        }
    }                                                   // CRC 错或地址不匹配：不响应
    HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, rxbuf, sizeof rxbuf);  // 重新武装
}

两处不响应都是刻意的：CRC 错了不应答，让主站超时重试，而不是把错误数据用出去；地址不匹配不应答，那是别的从机的对话，会造成总线冲突。主站侧每次请求都挂数百毫秒超时，超时重试两三次再报故障。问答协议的可靠性，一半在协议里，一半在超时策略里。

七、常见问题与注意事项

症状	根因	解法
总线空闲时收到乱码	无失效保护，0 V 差分落在死区	680 Ω 偏置，或选内置失效保护的收发器
应答最后一字节随机丢	DE 提前释放，末字节被截断	等 TC 标志再拉低，别用 TXE
长线偶发 CRC 错	未端接，反射叠加	两端各 120 Ω，线用双绞
距离上不去	忽略速率距离互换	降波特率，换低电容电缆
两设备同时发送，数据损坏	半双工无仲裁，多主冲突（多主仲裁见 CAN总线详解）	保持单主轮询，从站不主动发送
帧偶发被丢弃	帧内空隙超 1.5 字符	接收路径用 DMA，中断里不做重活
主站频繁超时	连发没留响应窗	请求间留 ≥3.5 字符静默 + 从机处理时间

总结

一条完整的链：差分 + 双绞把噪声挡在共模里，端接吸收反射、偏置锁住空闲电平，单主多从的纯问答避开无仲裁的问题，11 位字符 + CRC-16 低字节在前，3.5 字符静默当帧边界，DE/RE 在 TC 时刻切换方向。