Modbus RTU

Modbus RTU 是一种通用的工业标准通信协议，广泛应用于工业自动化设备（如传感器、编码器、变频器、PLC 等）。

协议概述

• 历史：1979 年由 Modicon（现施耐德电气）发明，最初用于 PLC 通信。
• 地位：工业自动化的事实标准。
• 物理层：通常基于 RS-485 或 RS-232。
• 特点：采用二进制传输，紧凑高效。

通信模式：请求-响应

Modbus 采用主从（Master-Slave）架构和请求-响应模式：

sequenceDiagram
    participant Host as 主机 (PC)
    participant Slave as 从机 (编码器)
    Host->>Slave: 请求 (读寄存器)
    Slave-->>Host: 响应 (返回数据)
    Host->>Slave: 请求
    Slave-->>Host: 响应

特点：

• 从机被动：从机不会主动发送数据，必须由主机轮询。
• 严格顺序：一问一答，必须等待上一次响应完成才能发送下一次请求。

对比其他模式：

模式	描述	示例
请求-响应	主机问，从机答	Modbus RTU
主动推送	设备定时/事件触发发送	某些传感器串口协议
发布-订阅	订阅后自动接收	MQTT, ROS

对采样率的影响： 这就是采样率受限的根本原因 —— 每次都要完成完整的请求-响应周期（发送请求 + 设备处理 + 接收响应），即下文计算的 17 字节传输时间加上设备内部处理时间。

帧结构示例

以读取编码器数据为例，一次典型的请求/响应过程如下：

请求帧 (8 字节)

主机发送给从机的指令：

01 03 00 00 00 02 C4 0B
│  │  └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘
│  │     │       │       └─ CRC 校验 (2字节)
│  │     │       └─ 寄存器数量 (2字节)
│  │     └─ 起始地址 (2字节)
│  └─ 功能码 (1字节)
└─ 地址 (1字节)

响应帧 (9 字节)

从机返回给主机的数据：

01 03 04 7F FF FD E7 D3 0D
│  │  │  └────┬────┘  └──┬──┘
│  │  │       │          └─ CRC 校验 (2字节)
│  │  │       └─ 数据 (4字节)
│  │  └─ 字节数 (1字节)
│  └─ 功能码 (1字节)
└─ 地址 (1字节)

总通信量：请求 8 字节 + 响应 9 字节 = 17 字节。

通信速率与采样率计算

在波特率为 9600 bps 的情况下，通信耗时计算如下：

1. 传输时间：

   • 串口通信通常为 “1 起始位 + 8 数据位 + 1 停止位 ” = 10 位/字节。
   • 总位数：17 字节 × 10 位 = 170 位。
   • 传输耗时：$170\text{ bits}/9600\text{ bps}\approx 0.0177\text{ s}\approx 18\text{ ms}$。

2. 采样率限制：

   • 如果代码中还有 time.sleep(0.1) 的间隔。
   • 总周期：$0.1\text{ s}+0.018\text{ s}=0.118\text{ s}$。
   • 实际采样率：$1/0.118\approx 8.5\text{ Hz}$。

3. 理论极限：

   • 如果不加延时，仅考虑传输时间：$1/0.018\approx 55\text{ Hz}$。
   • 提高采样率的方法：
     • 减少软件层面的轮询间隔。
     • 提高波特率（如从 9600 提至 115200），如果硬件支持。

Modbus 家族对比

变体	物理层	特点
Modbus RTU	RS-485/RS-232	二进制，紧凑高效，工业最常用。
Modbus ASCII	RS-485/RS-232	ASCII 字符，可读性好，但效率低（数据量翻倍）。
Modbus TCP	以太网	基于 TCP/IP 协议，用于网络传输。

为什么选择 Modbus RTU

1. 开放免费：无授权费，协议公开。
2. 简单可靠：结构简单，易于实现。
3. 硬件支持：
   • RS-485 优势：抗干扰能力强，传输距离远（理论可达 1200m）。
   • 总线拓扑：支持多设备挂载在同一条总线上，通过地址区分不同设备。