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Modbus 报文结构与 CRC 校验实战指南（一）

news 来源：原创 2025/6/30 13:21:28

一、引言

在工业通信领域，Modbus 协议无疑是最为广泛应用的协议之一。自 1979 年由 Modicon 公司（现属施耐德电气）推出以来，Modbus 凭借其简单易用、开放性以及广泛的兼容性，迅速成为工业自动化系统中设备之间通信的事实标准。无论是在制造业、能源行业，还是楼宇自动化等场景中，Modbus 都扮演着关键角色，实现了不同设备之间的数据交互与协同工作。

Modbus 报文结构是理解 Modbus 通信的基础，它定义了数据在设备之间传输的格式和规则。通过深入掌握报文结构，开发者能够精确地解析和构建通信数据，确保设备之间的准确通信。而 CRC 校验则是保障 Modbus 通信可靠性的重要机制，它能够有效检测数据在传输过程中是否发生错误，从而避免因数据错误导致的系统故障。

对于从事工业自动化开发、设备维护以及系统集成的开发者而言，深入理解 Modbus 报文结构与 CRC 校验不仅是必备的技能，更是解决实际问题、优化系统性能的关键。在实际项目中，准确解析报文可以帮助快速定位设备状态和故障信息，而可靠的 CRC 校验则能大大提高系统的稳定性和可靠性，减少因通信错误带来的损失。接下来，让我们一起深入探索 Modbus 报文结构与 CRC 校验的奥秘。

二、Modbus 报文结构探秘

2.1 Modbus 协议概述

Modbus 协议诞生于 1979 年，由 Modicon 公司（现属施耐德电气）推出，旨在解决工业自动化领域中设备之间通信不兼容的问题。在当时，不同厂家生产的设备各自采用独特的通信方式，导致设备之间难以互联互通，严重制约了工业自动化系统的集成与扩展。Modbus 协议的出现，犹如一场及时雨，为工业设备提供了一种统一、标准化的通信方式，使得不同品牌、不同类型的设备能够顺畅地进行数据交互。

随着时间的推移，Modbus 协议凭借其简单易用、开放性强以及广泛的兼容性，迅速在工业自动化领域中占据了重要地位。它不仅实现了设备之间的无缝通信，还促进了工业系统的集成化和智能化发展。如今，Modbus 协议已经成为工业自动化领域中最为流行的通信协议之一，被广泛应用于制造业、能源行业、楼宇自动化、交通运输等众多领域。

在制造业中，Modbus 协议可实现生产线中各种设备，如 PLC、传感器、执行器等之间的数据传输与协同工作，从而提高生产效率和产品质量；在能源行业，它能够对发电设备、电网设备等进行实时监控与管理，确保能源的稳定供应；在楼宇自动化领域，Modbus 协议可实现对空调、照明、电梯等设备的集中控制，提高楼宇的智能化管理水平。

2.2 Modbus 报文的组成部分

一个完整的 Modbus 报文通常由设备地址、功能码、数据和校验码这几个关键部分组成，每一部分都有着独特的含义和重要作用。

设备地址：设备地址用于标识 Modbus 网络中的从设备，它占 1 个字节，取值范围是 0 - 255 。其中，0 通常被保留用于广播通信，即主设备向所有从设备发送消息；1 - 247 为有效的从设备地址，不同的从设备通过唯一的地址进行区分；248 - 255 则被保留用于特殊用途。例如，在一个工业自动化系统中，有多个传感器和执行器作为从设备连接到主设备上，每个传感器和执行器都被分配了一个唯一的设备地址，主设备通过这个地址来准确地与特定的从设备进行通信，实现数据的读取和控制指令的发送。

功能码：功能码占 1 个字节，取值范围是 1 - 255，用于指示主设备请求从设备执行的操作类型。不同的功能码对应着不同的操作，常见的功能码包括读取线圈状态（功能码 01）、读取离散输入状态（功能码 02）、读取保持寄存器（功能码 03）、读取输入寄存器（功能码 04）、写单个线圈（功能码 05）、写单个保持寄存器（功能码 06）等。例如，当主设备需要读取某个传感器的测量值时，会向该传感器对应的从设备发送功能码为 03 的报文，以请求读取其保持寄存器中的数据。

数据：数据部分的内容和长度取决于功能码的类型。它包含了主设备请求从设备读取或写入的具体信息。例如，在读取保持寄存器的操作中，数据部分会包含要读取的寄存器起始地址和寄存器数量；在写单个保持寄存器的操作中，数据部分则会包含要写入的寄存器地址和数据值。以读取从设备中地址为 0x0001 开始的 10 个保持寄存器的数据为例，数据部分就会包含起始地址 0x0001 和寄存器数量 0x000A（十进制 10）。

校验码：校验码用于检测数据在传输过程中是否发生错误，以确保数据的完整性和准确性。Modbus 协议常用的校验方式有 CRC（循环冗余校验）和 LRC（纵向冗余校验），其中 CRC 校验更为常用。CRC 校验码通常占 2 个字节，它是根据报文中的设备地址、功能码和数据等部分通过特定的 CRC 算法计算得出的。接收方在收到报文后，会重新计算 CRC 校验码，并与报文中的校验码进行比对，如果两者一致，则认为数据传输正确；否则，说明数据可能发生了错误，需要重新传输。

2.3 不同功能码的报文结构解析

Modbus 协议定义了多种功能码，每种功能码对应的报文结构都有其特定的规则。下面以读取线圈状态（功能码 01）和读取保持寄存器（功能码 03）这两种常见的功能码为例，详细分析主站询问报文和从站响应报文的结构。

读取线圈状态（功能码 01）

主站询问报文结构：[设备地址（1 字节）][功能码 01（1 字节）][起始地址（2 字节）][线圈数量（2 字节）][CRC 校验码（2 字节）]。例如，主站向地址为 0x01 的从设备发送询问报文，请求读取从地址 0x0000 开始的 10 个线圈的状态，其报文内容可能为：0x01 0x01 0x00 0x00 0x00 0x0A [CRC 校验码]。其中，0x01 为设备地址，0x01 表示读取线圈状态的功能码，0x00 0x00 是起始地址，0x00 0x0A 表示要读取的线圈数量为 10 个，最后的 [CRC 校验码] 是根据前面的内容计算得出的。

从站响应报文结构：[设备地址（1 字节）][功能码 01（1 字节）][字节数（1 字节）][数据（n 字节）][CRC 校验码（2 字节）] 。从站在接收到主站的询问报文后，会返回响应报文。例如，从站地址为 0x01，功能码为 0x01，返回的字节数为 0x02（表示后面的数据占 2 个字节），数据为 0x30 0x00（假设这 10 个线圈的状态对应的二进制数据为 0011 0000 0000 0000），CRC 校验码为 [具体校验码值]，则响应报文为：0x01 0x01 0x02 0x30 0x00 [CRC 校验码]。这里的数据部分，每个线圈的状态用 1 位二进制表示，8 个线圈的状态组成 1 个字节，不足 8 位的高位补 0。

读取保持寄存器（功能码 03）

主站询问报文结构：[设备地址（1 字节）][功能码 03（1 字节）][起始地址（2 字节）][寄存器数量（2 字节）][CRC 校验码（2 字节）] 。例如，主站向地址为 0x02 的从设备发送询问报文，请求读取从地址 0x0001 开始的 5 个保持寄存器的值，其报文内容可能为：0x02 0x03 0x00 0x01 0x00 0x05 [CRC 校验码]。其中，0x02 为设备地址，0x03 表示读取保持寄存器的功能码，0x00 0x01 是起始地址，0x00 0x05 表示要读取的寄存器数量为 5 个。

从站响应报文结构：[设备地址（1 字节）][功能码 03（1 字节）][字节数（1 字节）][数据（n*2 字节）][CRC 校验码（2 字节）] 。由于每个保持寄存器的数据通常是 16 位（2 字节），所以从站响应报文中数据部分的长度为寄存器数量的两倍。例如，从站地址为 0x02，功能码为 0x03，返回的字节数为 0x0A（表示后面的数据占 10 个字节，即 5 个寄存器 * 2 字节 / 寄存器），数据为 0x12 0x34 0x56 0x78 0x9A 0xBC 0xDE 0xF0 0x11 0x22（假设这 5 个保持寄存器的值分别为 0x1234、0x5678、0x9ABC、0xDEF0、0x1122），CRC 校验码为 [具体校验码值]，则响应报文为：0x02 0x03 0x0A 0x12 0x34 0x56 0x78 0x9A 0xBC 0xDE 0xF0 0x11 0x22 [CRC 校验码]。

三、CRC 校验深度剖析

3.1 CRC 校验的基本概念

CRC 校验，即循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check），是数据通信领域中最常用的一种查错校验码。它通过对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。CRC 校验的目的在于检测数据在传输过程中是否发生错误，确保接收端接收到的数据与发送端发送的数据一致。

在数据传输过程中，由于受到噪声干扰、信号衰减等因素的影响，数据可能会发生错误。例如，在工业自动化系统中，传感器采集的数据需要通过通信网络传输到控制器，如果数据在传输过程中发生错误，控制器可能会做出错误的决策，导致设备故障或生产事故。因此，采用有效的校验方法来保证数据的准确性和完整性至关重要。

与其他常见的校验方法，如奇偶校验、海明校验相比，CRC 校验具有显著的优势。奇偶校验是一种简单的校验方法，它通过在数据中添加一个校验位，使得数据中 “1” 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。接收端通过检查 “1” 的个数是否符合奇偶性来判断数据是否正确。然而，奇偶校验只能检测出奇数位的错误，对于偶数位的错误则无法检测。例如，当数据中的两位同时发生错误时，奇偶校验无法发现这些错误。

海明校验则是一种更为复杂的校验方法，它通过在数据中添加多个校验位，不仅能够检测出错误，还能够纠正一些错误。海明校验的实现相对复杂，需要较多的校验位，增加了数据传输的开销。而且，海明校验的纠错能力也受到一定限制，对于多个错误同时发生的情况，可能无法正确纠错。

相比之下，CRC 校验能够检测出多种类型的错误，包括突发错误和多位错误。它通过特定的多项式计算，生成一个校验码，该校验码与数据之间存在着紧密的关联。即使数据中发生了多位错误，CRC 校验也能够有效地检测出来。此外，CRC 校验的计算效率较高，实现相对简单，在数据通信和存储领域得到了广泛应用。

3.2 CRC 校验的工作原理

CRC 校验基于多项式除法的数学原理，它将数据视为一个多项式，并使用预设的生成多项式进行除法运算，最终余数作为 CRC 校验值。在 CRC 校验中，数据被表示为一个系数为 0 或 1 的多项式序列，例如，数据 1011 可以表示为多项式\(x^3 + x^1 + x^0\) 。生成多项式则是一个预先定义的多项式，它的选择对 CRC 算法的错误检测能力有重要影响。

以一个简单的例子来说明 CRC 码的生成和校验步骤。假设要发送的数据为 1010，生成多项式为\(G(X) = X^3 + X + 1\)（对应的二进制数为 1011）。

数据左移：将数据 1010 左移 3 位（生成多项式的次数），得到 1010000。这是因为在 CRC 校验中，需要在数据后面添加与生成多项式次数相同数量的 0，以便进行多项式除法运算。

模 2 除法：用左移后的数据 1010000 除以生成多项式 1011，这里的除法采用模 2 除法，即每一位除的结果不影响其他位，不向上借位，相当于二进制中的逻辑异或运算。具体计算过程如下：

- 首先，将 1010000 的前 4 位 1010 与 1011 进行异或运算，得到 0001。

- 然后，将 0001 与下一位 0 组合成 00010，再与 1011 进行异或运算，得到 1001。

- 接着，将 1001 与下一位 0 组合成 10010，继续与 1011 进行异或运算，得到 0011。

- 最后，将 0011 与下一位 0 组合成 00110，再与 1011 进行异或运算，得到 110，这就是余数。

生成 CRC 码：将得到的余数 110 作为 CRC 码，附加在原始数据 1010 后面，得到完整的发送数据 1010110。

在接收端，对接收到的数据进行同样的 CRC 校验操作。如果计算得到的余数为 0，则说明数据在传输过程中没有发生错误；如果余数不为 0，则说明数据发生了错误，需要进行相应的处理，如请求重发数据。

3.3 CRC-16 算法在 Modbus 中的应用

在 Modbus 协议中，常用的 CRC 校验算法是 CRC-16，它生成 16 位的校验码，能够有效地检测出数据传输中的错误。CRC-16 算法使用的多项式为\(X^16 + X^15 + X^2 + 1\)，对应的十六进制数为 0x8005，初始值为 0xFFFF 。

下面通过一个具体的代码示例，展示 CRC-16 算法在 Modbus 中的实现过程。以 C 语言代码为例：

#include <stdio.h>

// 计算CRC-16校验码

unsigned short crc16_modbus(unsigned char *data, int length) {

unsigned short crc = 0xFFFF;

int i, j;

for (i = 0; i < length; i++) {

crc ^= (unsigned short)data[i];

for (j = 0; j < 8; j++) {

if (crc & 0x0001) {

crc >>= 1;

crc ^= 0xA001;

} else {

crc >>= 1;

}

return crc;

}

int main() {

unsigned char data[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01}; // 示例数据

int length = sizeof(data) / sizeof(data[0]);

unsigned short crc = crc16_modbus(data, length);

printf("CRC-16校验码: 0x%04X\n", crc);

return 0;

}

在上述代码中，crc16_modbus函数实现了 CRC-16 算法。首先，将 CRC 寄存器初始化为 0xFFFF 。然后，遍历数据数组，对每个字节与 CRC 寄存器进行异或操作。接着，对每个字节的 8 位进行处理，如果 CRC 寄存器的最低位为 1，则右移一位并与 0xA001 进行异或；否则，仅右移一位。最后，返回计算得到的 CRC 校验码。

在main函数中，定义了一个示例数据数组，并调用crc16_modbus函数计算 CRC 校验码，然后输出结果。通过这个示例，可以清晰地看到 CRC-16 算法在 Modbus 中的具体实现过程。