📚 课程目录第3章 RTU帧结构详解

3. RTU帧结构详解

Modbus RTU 的可靠性来自一套非常朴素的约定：用静默时间划清帧边界，用地址区分从站，用功能码说明意图，用数据域承载参数，用 CRC 兜底校验。理解这五个部分，等于拿到了从站开发最底层的“语法书”。本节把 RTU 帧拆开逐段讲解，并说明 3.5 字符定时为什么是从站状态机的第一驱动力。

一、RTU 帧的整体结构

一条标准 RTU 帧由四段组成，总长度取决于功能码和数据量：

字段	长度	作用	从站处理要点
地址域	1 字节	标识目标从站	0 为广播，1~247 为单播地址
功能码	1 字节	说明操作类型	判断是否支持，决定后续数据长度
数据域	N 字节	寄存器地址、数量、值等	按功能码解析，校验范围与数量
CRC 校验	2 字节	检测传输错误	低字节在前，高字节在后

注意：RTU 帧没有起始符和结束符，帧与帧之间完全靠时间间隔区分。这也是它与 ASCII 帧最本质的区别。

二、地址域：谁在说话

地址域占 1 字节，取值范围 0~255，但工程上有效单播地址通常为 1~247。地址 0 是广播地址，所有从站都应接收并执行，但不应答；248~255 为保留地址。从站收到一帧后，第一件事就是比较地址：

地址等于本机地址：正常处理并回复。
地址为 0：执行写操作，但不回复。
地址为其他值：直接丢弃，不产生任何响应。

从站固件中，地址比较应放在 CRC 校验之前还是之后？建议先做长度与地址粗判，再做 CRC 校验，最后才执行业务逻辑，避免无效帧触发副作用。

三、功能码：要做什么

功能码占 1 字节，常见的有 0x01 读线圈、0x02 读离散输入、0x03 读保持寄存器、0x04 读输入寄存器、0x05 写单个线圈、0x06 写单个寄存器、0x0F 写多个线圈、0x10 写多个寄存器。从站收到功能码后，需要判断两件事：是否支持该功能码，以及数据域长度是否符合该功能码的格式。

如果功能码不支持，从站应返回异常响应：功能码最高位置 1，并在数据域给出异常码。例如请求 0x03 不支持时，返回 0x83 加异常码 0x01（非法功能）。

四、数据域：参数与边界

数据域长度和内容由功能码决定。以 0x03 读保持寄存器为例，请求帧数据域为 4 字节：起始地址高、低字节，寄存器数量高、低字节。响应帧数据域为 1 字节字节数加 2N 字节寄存器值。从站必须对以下边界做检查：

起始地址加数量是否越界。
数量是否在 1~125 之间（0x03 的常见限制）。
字节数是否与数量匹配。

任何一项不满足，都应返回异常码 0x02（非法数据地址）或 0x03（非法数据值），而不是强行截断或返回错误数据。

五、CRC 校验：最后一道防线

CRC 采用 CRC-16/MODBUS，多项式 0xA001（反向表示），初值 0xFFFF。计算范围是地址域、功能码、数据域的全部字节，不包括 CRC 本身。发送时低字节在前，高字节在后。从站收到帧后，对前面所有字节重新计算 CRC，与帧尾两字节比较，不一致则丢弃。

uint16_t modbus_crc16(const uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= buf[i];
        for (uint8_t b = 0; b < 8; b++) {
            if (crc & 0x0001) crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
            else               crc >>= 1;
        }
    }
    return crc;
}

六、帧间隔与 3.5 字符定时

RTU 规定：帧内字符间隔不得超过 1.5 个字符时间，帧与帧之间至少需要 3.5 个字符时间的静默。一个字符时间取决于波特率和帧格式。以 9600bps、8 数据位、无校验、1 停止位为例，一个字符共 10 位，字符时间约为 1.042ms，3.5 字符约为 3.65ms。

从站通常用定时器实现：每收到一个字节就重置定时器；当定时器超过 3.5 字符时间且缓冲区非空，就认为一帧结束，进入解析流程。如果帧内出现超过 1.5 字符的间隔，应丢弃当前帧并重新同步。

七、案例：一次读保持寄存器的完整帧

假设从站地址为 0x01，主机读取起始地址 0x0000 的 2 个保持寄存器，请求帧为：

01 03 00 00 00 02 C4 0B
地址  功能码  起始地址  数量   CRC

从站正常响应（假设寄存器值为 0x1234、0x5678）：

01 03 04 12 34 56 78 XX XX
地址  功能码  字节数  数据1  数据2   CRC

如果从站不支持 0x03，则返回：

01 83 01 XX XX
地址  异常功能码  异常码  CRC

八、常见误区与复盘

误区一：把 3.5 字符定时写成固定毫秒。正确做法是按波特率和字符位数动态计算，否则换波特率后帧边界会错乱。
误区二：CRC 校验通过就立即执行写操作。应先完成地址、功能码、数据范围检查，再执行，避免非法参数写入。
误区三：广播帧也回复。广播地址 0 的帧不应答，否则总线会出现冲突。
误区四：帧内间隔超过 1.5 字符仍继续拼接。应丢弃当前帧并重新同步，否则会把两帧错误地拼成一帧。

从站开发中，接收中断里只做“收字节 + 重置定时器”，解析和 CRC 校验放到主循环或任务中完成，避免在中断里做耗时运算导致丢字节。

把地址、功能码、数据域、CRC 和 3.5 字符定时这五件事逐一落实，RTU 从站的帧处理骨架就立住了。后续所有功能码实现，都是在这套骨架上填充具体的数据映射与异常分支。