在工业自动化、物联网设备通信中，Modbus 协议因 “简单可靠、兼容性强” 成为事实标准 —— 它无需复杂硬件支持，仅通过串口（RS485/RS232）即可实现设备间数据交互，广泛应用于传感器、PLC、单片机等嵌入式设备。本文从协议核心原理出发，手把手教你实现 STM32 与传感器的 Modbus RTU 通信，覆盖从机（数据上传）和主机（数据采集）双场景开发。
一、Modbus 核心认知：先搞懂 3 个关键问题
1. 为什么嵌入式优先选 Modbus RTU？
Modbus 协议有 3 种主流变体，嵌入式场景中RTU 模式是首选：
| 协议类型 | 传输介质 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | RS485/RS232 串口 | 二进制传输，效率高、抗干扰强 | 工业现场、嵌入式设备通信 |
| Modbus ASCII | 串口 | 文本格式传输，易调试但效率低 | 短距离、低速率测试场景 |
| Modbus TCP | 以太网 | 基于 TCP/IP，适合网络通信 | 物联网网关、远程监控 |
嵌入式设备（如 STM32、ESP32）大多无以太网接口，但标配串口，且工业现场需要抗干扰能力，因此 Modbus RTU 成为嵌入式通信的 “黄金选择”。
2. Modbus RTU 的通信逻辑（主从架构）
Modbus 是典型的 “主从通信” 模式，核心规则：
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主机（Master）：主动发起请求（如读取传感器数据），同一总线只能有 1 个主机；
-
从机（Slave）：被动响应请求（如返回温度数据），可多个从机（地址 1-247）；
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通信流程：主机发送带从机地址的指令 → 对应从机接收并处理 → 从机返回响应数据 → 主机解析数据。
3. 核心数据格式（RTU 帧结构）
Modbus RTU 帧是二进制格式，每个字节 8 位，无起始 / 停止字符，靠时间间隔（＞3.5 个字符时间）分隔帧，完整结构：
| 字段 | 字节数 | 作用 | 示例值 |
|---|---|---|---|
| 从机地址（Slave Address） | 1 | 标识目标从机（1-247，0 为广播） | 0x01（1 号从机） |
| 功能码（Function Code） | 1 | 指令类型（如读 / 写寄存器） | 0x03（读取保持寄存器） |
| 数据域（Data） | N | 指令参数 / 响应数据 | 0x00 0x01 0x00 0x02（读寄存器地址 0x0001，长度 2） |
| CRC 校验（CRC） | 2 | 帧完整性校验（低字节在前） | 0x85 0x39（示例 CRC 值） |
常用功能码（嵌入式必备）
| 功能码 | 名称 | 用途 |
|---|---|---|
| 0x01 | 读取线圈状态 | 控制类设备（如继电器开关） |
| 0x03 | 读取保持寄存器 | 读取传感器数据（如温度、湿度） |
| 0x06 | 写入单个保持寄存器 | 控制从机参数（如设定阈值） |
| 0x10 | 写入多个保持寄存器 | 批量控制从机（如多通道配置） |
二、嵌入式 Modbus RTU 实战：STM32 从机开发（数据上传）
以 STM32F103C8T6 为例，实现 “从机采集电位器数据，响应主机读取请求”，全程硬件 + 代码落地。
1. 硬件准备（最小系统）
核心器件
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主控：STM32F103C8T6 最小系统板（1 块）；
-
通信模块：RS485 转 TTL 模块（如 MAX485，1 块）；
-
传感器 / 输入：10K 电位器（模拟传感器数据）；
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辅助工具：USB 转 TTL 模块（调试用）、杜邦线、5V 电源。
硬件接线（关键！接错无法通信）
| STM32 引脚 | MAX485 模块 | 其他设备 |
|---|---|---|
| PA9（USART1_TX） | DI | - |
| PA10（USART1_RX） | RO | - |
| PA8 | DE、RE | 高电平 = 发送，低电平 = 接收（统一控制） |
| 3.3V | VCC | - |
| GND | GND | 电位器 GND、USB 转 TTL GND（共地！） |
| PA0（ADC1_IN0） | - | 电位器中间引脚 |
| 3.3V | - | 电位器一端 |
| GND | - | 电位器另一端 |
关键注意：MAX485 的 DE 和 RE 引脚必须短接后由 STM32 控制，通信时需切换 “发送 / 接收” 状态；所有设备必须共地，否则会出现数据乱码。
2. 软件环境
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开发工具：STM32CubeMX 6.8.1 + Keil MDK 5.37；
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调试工具：串口助手（如 SSCOM）、Modbus 主机测试工具（如 Modbus Poll）。
3. 代码实现（分模块开发）
步骤 1：STM32CubeMX 配置（基础外设）
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新建工程，选择 “STM32F103C8T6”；
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配置 RCC：选择 “Crystal/Ceramic Resonator”（外部晶振）；
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配置 USART1：
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模式：Asynchronous（异步通信）；
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参数：波特率 9600、数据位 8、停止位 1、校验位 None（Modbus RTU 默认）；
-
中断：使能 “USART1 global interrupt”（接收中断）；
- 配置 GPIO：
-
PA8：输出模式（控制 MAX485 的 DE/RE），默认电平低（接收状态）；
-
PA0：ADC1_IN0（采集电位器数据）；
- 生成 Keil 工程（Toolchain/IDE 选择 MDK-ARM）。
步骤 2：核心代码实现（Modbus 从机协议栈）
在 Keil 工程中添加modbus_slave.c和modbus_slave.h文件，实现从机核心逻辑：
（1）头文件定义（modbus_slave.h）
\#ifndef \_\_MODBUS\_SLAVE\_H\#define \_\_MODBUS\_SLAVE\_H\#include "stm32f1xx\_hal.h"// Modbus从机地址（可修改为1-247）\#define SLAVE\_ADDR 0x01// 保持寄存器地址定义（模拟传感器数据存储）\#define REG\_POTENTIOMETER 0x0001 // 电位器数据寄存器（地址1）\#define REG\_TEMP 0x0002 // 温度数据寄存器（预留）// 保持寄存器数组（地址0对应REG\_POTENTIOMETER，地址1对应REG\_TEMP）extern uint16\_t holding\_regs\[2];// 函数声明void modbus\_slave\_init(UART\_HandleTypeDef \*huart); // 初始化void modbus\_slave\_rx\_handler(uint8\_t data); // 接收数据处理void modbus\_slave\_tx\_response(uint8\_t \*data, uint8\_t len); // 发送响应\#endif
（2）核心实现（modbus_slave.c）
\#include "modbus\_slave.h"\#include "crc16.h" // 需自行实现CRC16校验（下文提供）UART\_HandleTypeDef \*modbus\_huart;uint8\_t modbus\_rx\_buf\[256]; // 接收缓冲区uint8\_t modbus\_rx\_len = 0; // 接收数据长度uint16\_t holding\_regs\[2] = {0}; // 保持寄存器（初始化0）// CRC16校验（Modbus RTU标准）uint16\_t modbus\_crc16(uint8\_t \*data, uint8\_t len) {  uint16\_t crc = 0xFFFF;  for (uint8\_t i = 0; i ++) {  crc ^= data\[i];  for (uint8\_t j = 0; j {  if (crc & 0x0001) {  crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;  } else {  crc >>= 1;  }  }  }  return crc;}// Modbus从机初始化（绑定串口）void modbus\_slave\_init(UART\_HandleTypeDef \*huart) {  modbus\_huart = huart;  // 开启串口接收中断（一次接收1字节）  HAL\_UART\_Receive\_IT(modbus\_huart, \&modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len], 1);}// 串口接收中断回调（每次接收1字节）void HAL\_UART\_RxCpltCallback(UART\_HandleTypeDef \*huart) {  if (huart == modbus\_huart) {  modbus\_rx\_len++;  // 缓冲区溢出保护（最大256字节）  if (modbus\_rx\_len ) {  HAL\_UART\_Receive\_IT(modbus\_huart, \&modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len], 1);  } else {  modbus\_rx\_len = 0; // 溢出重置  }  }}// 解析主机指令并生成响应void modbus\_parse\_cmd() {  uint8\_t response\_buf\[256];  uint8\_t response\_len = 0;  uint16\_t crc\_calc = 0;  // 1. 校验从机地址（是否匹配本机地址）  if (modbus\_rx\_buf\[0] != SLAVE\_ADDR && modbus\_rx\_buf\[0] != 0x00) {  modbus\_rx\_len = 0;  return;  }  // 2. 校验CRC（主机发送的CRC与计算的是否一致）  crc\_calc = modbus\_crc16(modbus\_rx\_buf, modbus\_rx\_len - 2);  uint16\_t crc\_rx = (modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len - 1] < | modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len - 2];  if (crc\_calc != crc\_rx) {  modbus\_rx\_len = 0;  return;  }  // 3. 处理功能码（重点实现0x03读取保持寄存器）  switch (modbus\_rx\_buf\[1]) {  case 0x03: // 读取保持寄存器  {  // 解析主机指令：寄存器起始地址（2字节）、寄存器数量（2字节）  uint16\_t reg\_addr = (modbus\_rx\_buf\[2] <) | modbus\_rx\_buf\[3];  uint16\_t reg\_num = (modbus\_rx\_buf\[4] < | modbus\_rx\_buf\[5];  // 校验寄存器地址和数量（仅支持地址1-2，数量1-2）  if (reg\_addr OMETER || reg\_addr + reg\_num > REG\_TEMP + 1 || reg\_num == 0) {  // 非法数据，返回异常响应（功能码+0x80，异常码0x02）  response\_buf\[0] = SLAVE\_ADDR;  response\_buf\[1] = 0x83;  response\_buf\[2] = 0x02;  response\_len = 3;  } else {  // 合法请求，生成响应数据  response\_buf\[0] = SLAVE\_ADDR;  response\_buf\[1] = 0x03;  response\_buf\[2] = reg\_num \* 2; // 数据长度（每个寄存器2字节）  response\_len = 3;  // 填充寄存器数据（高位在前，低位在后）  for (uint16\_t i = 0; i ++) {  response\_buf\[response\_len++] = (holding\_regs\[reg\_addr - REG\_POTENTIOMETER + i] >> 8) & 0xFF;  response\_buf\[response\_len++] = holding\_regs\[reg\_addr - REG\_POTENTIOMETER + i] & 0xFF;  }  }  break;  }  default: // 不支持的功能码，返回异常响应  response\_buf\[0] = SLAVE\_ADDR;  response\_buf\[1] = modbus\_rx\_buf\[1] | 0x80;  response\_buf\[2] = 0x01; // 异常码0x01（功能码未支持）  response\_len = 3;  break;  }  // 4. 计算响应帧CRC并添加到末尾  crc\_calc = modbus\_crc16(response\_buf, response\_len);  response\_buf\[response\_len++] = crc\_calc & 0xFF; // 低字节在前  response\_buf\[response\_len++] = (crc\_calc >> 8) & 0xFF;  // 5. 发送响应（切换MAX485为发送状态）  modbus\_slave\_tx\_response(response\_buf, response\_len);  // 6. 重置接收缓冲区  modbus\_rx\_len = 0;}// 发送Modbus响应（控制MAX485收发状态）void modbus\_slave\_tx\_response(uint8\_t \*data, uint8\_t len) {  // 切换MAX485为发送状态（PA8置高）  HAL\_GPIO\_WritePin(GPIOA, GPIO\_PIN\_8, GPIO\_PIN\_SET);  // 发送响应数据  HAL\_UART\_Transmit(modbus\_huart, data, len, 100);  // 等待发送完成  HAL\_Delay(1);  // 切换MAX485为接收状态（PA8置低）  HAL\_GPIO\_WritePin(GPIOA, GPIO\_PIN\_8, GPIO\_PIN\_RESET);}// 定时处理Modbus帧（需在main函数while循环中调用，周期10ms）void modbus\_slave\_process() {  static uint32\_t last\_rx\_time = 0;  // 检测是否有接收数据，且超过3.5个字符时间（9600波特率下约3.7ms）  if (modbus\_rx\_len > 0) {  if (HAL\_GetTick() - last\_rx\_time > 10) { // 留冗余，设10ms  modbus\_parse\_cmd(); // 解析指令  last\_rx\_time = HAL\_GetTick();  }  } else {  last\_rx\_time = HAL\_GetTick();  }}
（3）ADC 采集电位器数据（main.c 中添加）
\#include "modbus\_slave.h"// ADC采集函数（读取PA0电位器数据）uint16\_t adc\_read\_potentiometer() {  HAL\_ADC\_Start(\&hadc1);  HAL\_ADC\_PollForConversion(\&hadc1, 100);  return HAL\_ADC\_GetValue(\&hadc1);}int main(void) {  // CubeMX自动生成的初始化代码  HAL\_Init();  SystemClock\_Config();  MX\_GPIO\_Init();  MX\_USART1\_UART\_Init();  MX\_ADC1\_Init();  // Modbus从机初始化（绑定USART1）  modbus\_slave\_init(\&huart1);  while (1) {  // 1. 采集电位器数据（每100ms更新一次寄存器）  static uint32\_t adc\_update\_time = 0;  if (HAL\_GetTick() - adc\_update\_time > 100) {  holding\_regs\[0] = adc\_read\_potentiometer(); // 电位器数据存入寄存器1  adc\_update\_time = HAL\_GetTick();  }  // 2. 处理Modbus通信（每10ms调用一次）  modbus\_slave\_process();  }}
4. 调试与验证
步骤 1：硬件连接与供电
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按接线图连接所有器件，确保 MAX485 的 DE/RE 接 PA8，所有设备共地；
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用 USB 转 TTL 模块连接 STM32 的 USART1（PA9→TX，PA10→RX），用于调试。
步骤 2：主机测试工具配置（Modbus Poll）
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下载安装 Modbus Poll（免费测试版）；
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配置通信参数：
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点击 “Connection”→“Connect”；
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选择 “Serial”，波特率 9600，数据位 8，停止位 1，校验位 None；
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选择串口（USB 转 TTL 对应的 COM 口），点击 “OK”；
- 配置读取指令：
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点击 “Setup”→“Read/Write Definition”；
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功能码选 “03 Read Holding Registers”；
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从机地址填 1，起始地址填 1，寄存器数量填 1；
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点击 “OK”，工具将周期性发送读取请求。
步骤 3：验证通信效果
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旋转电位器，Modbus Poll 中会实时显示寄存器 1 的数值（0-4095，对应 ADC 采集范围）；
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若数据实时更新，说明 Modbus RTU 从机通信成功。
三、进阶：STM32 Modbus RTU 主机开发（数据采集）
主机开发核心是 “主动发送指令→接收从机响应→解析数据”，以下是关键代码实现（基于上述硬件）：
1. 主机核心代码（modbus_master.c）
\#include "modbus\_master.h"\#include "crc16.h"UART\_HandleTypeDef \*modbus\_huart;uint8\_t modbus\_rx\_buf\[256];uint8\_t modbus\_rx\_len = 0;// 初始化Modbus主机（绑定串口）void modbus\_master\_init(UART\_HandleTypeDef \*huart) {  modbus\_huart = huart;  HAL\_UART\_Receive\_IT(modbus\_huart, \&modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len], 1);}// 发送读取保持寄存器指令（从机地址、起始地址、寄存器数量）void modbus\_master\_read\_holding\_reg(uint8\_t slave\_addr, uint16\_t reg\_addr, uint16\_t reg\_num) {  uint8\_t cmd\_buf\[8];  uint16\_t crc;  // 填充指令帧  cmd\_buf\[0] = slave\_addr; // 从机地址  cmd\_buf\[1] = 0x03; // 功能码  cmd\_buf\[2] = (reg\_addr >> 8) & 0xFF; // 寄存器地址高位  cmd\_buf\[3] = reg\_addr & 0xFF; // 寄存器地址低位  cmd\_buf\[4] = (reg\_num >> 8) & 0xFF; // 寄存器数量高位  cmd\_buf\[5] = reg\_num & 0xFF; // 寄存器数量低位  // 计算CRC  crc = modbus\_crc16(cmd\_buf, 6);  cmd\_buf\[6] = crc & 0xFF; // CRC低字节  cmd\_buf\[7] = (crc >> 8) & 0xFF; // CRC高字节  // 发送指令（切换MAX485为发送状态）  HAL\_GPIO\_WritePin(GPIOA, GPIO\_PIN\_8, GPIO\_PIN\_SET);  HAL\_UART\_Transmit(modbus\_huart, cmd\_buf, 8, 100);  HAL\_Delay(1);  HAL\_GPIO\_WritePin(GPIOA, GPIO\_PIN\_8, GPIO\_PIN\_RESET);  // 重置接收缓冲区  modbus\_rx\_len = 0;}// 解析从机响应数据（返回寄存器值数组，len为寄存器数量）uint8\_t modbus\_master\_parse\_response(uint16\_t \*regs, uint8\_t reg\_num) {  uint16\_t crc\_calc = modbus\_crc16(modbus\_rx\_buf, modbus\_rx\_len - 2);  uint16\_t crc\_rx = (modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len - 1] < | modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len - 2];  // 校验CRC和数据长度  if (crc\_calc != crc\_rx || modbus\_rx\_buf\[2] != reg\_num \* 2) {  return 0; // 校验失败  }  // 解析寄存器数据（高位在前）  for (uint8\_t i = 0; i < reg\_num; i++) {  regs\[i] = (modbus\_rx\_buf\[3 + 2\*i] < modbus\_rx\_buf\[4 + 2\*i];  }  modbus\_rx\_len = 0;  return 1; // 解析成功}// 串口接收中断回调（同从机）void HAL\_UART\_RxCpltCallback(UART\_HandleTypeDef \*huart) {  if (huart == modbus\_huart) {  modbus\_rx\_len++;  if (modbus\_rx\_len 6) {  HAL\_UART\_Receive\_IT(modbus\_huart, \&modbus\_rx\_buf\[modbus\_rx\_len], 1);  } else {  modbus\_rx\_len = 0;  }  }}
2. main 函数调用示例
\#include "modbus\_master.h"uint16\_t sensor\_data\[1]; // 存储从机数据int main(void) {  HAL\_Init();  SystemClock\_Config();  MX\_GPIO\_Init();  MX\_USART1\_UART\_Init();  modbus\_master\_init(\&huart1);  while (1) {  // 每1秒读取1号从机的寄存器1（电位器数据）  modbus\_master\_read\_holding\_reg(0x01, 0x0001, 1);  // 等待从机响应（最多等待500ms）  HAL\_Delay(100);  // 解析响应数据  if (modbus\_master\_parse\_response(sensor\_data, 1)) {  // 解析成功，sensor\_data\[0]即为电位器数据  printf("电位器数据：%d\r\n", sensor\_data\[0]);  } else {  printf("通信失败\r\n");  }  HAL\_Delay(1000);  }}
四、嵌入式 Modbus 避坑指南（实测经验）
1. 硬件避坑：通信失败的核心原因
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未共地：所有设备必须共地，否则 RS485 总线存在电位差，数据乱码；
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MAX485 收发状态切换：发送数据时必须置高 DE/RE，发送完成后立即置低，否则无法接收响应；
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串口参数不匹配：波特率、数据位、停止位、校验位必须与从机完全一致（Modbus RTU 默认 9600-8-N-1）；
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接线错误：MAX485 的 DI 接 STM32 TX，RO 接 STM32 RX，接反会导致无法收发。
2. 软件避坑：协议解析常见问题
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CRC 校验错误：严格按照 Modbus RTU 的 CRC16 算法实现，低字节在前、高字节在后；
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帧间隔判断：从机必须检测帧间隔（＞3.5 个字符时间），否则会把多帧数据当成一帧解析；
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寄存器地址混淆：Modbus 寄存器地址是 1-based（从 1 开始），代码中数组是 0-based，需注意偏移；
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数据字节序：Modbus 协议规定数据为 “大端序”（高位在前），STM32 是小端序，需手动转换。
3. 工业场景优化：提升通信稳定性
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添加终端电阻：在 RS485 总线两端（主机和最远从机）添加 120Ω 终端电阻，减少信号反射；
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抗干扰措施：RS485 总线用屏蔽线，屏蔽层接地；远离动力线（如电机线）；
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超时重发：主机发送指令后，若 500ms 内未收到响应，自动重发（最多 3 次）；
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异常处理：从机需处理非法地址、非法功能码、寄存器越界等异常，返回对应的异常响应。