Modbus 通訊協定完整教學：從 RTU 到 TCP，ESP32/STM32 實作

Modbus 通訊協定是工業自動化領域最廣泛應用的通訊協議之一，從 PLC、感測器、馬達驅動器到 SCADA 系統，幾乎所有工業設備都支援 Modbus。它簡單、穩定、開源且跨平台。

本文從 Modbus 通訊協定的歷史與分類出發，深入解析 Modbus RTU 和 Modbus TCP 的幀格式、功能碼、資料模型，並以 ESP32 和 STM32 為平台展示完整的 C 語言實作。

Modbus 協議概述

Modbus 由 Modicon 公司在 1979 年發明，採用 Master/Slave（主從）架構。一個網路上只能有一個 Master，最多 247 個 Slave（RTU 模式使用位址 1~247，0 為廣播）。

RTU 幀之間需要至少 3.5 字元時間的靜默間隔來區分不同封包（以 9600 bps 為例約 3.65ms）。

Modbus 定義了四種資料類型，每種最多 65536 個地址：

• Coils (00001~09999)：1 bit 可讀寫，對應實體繼電器輸出
• Discrete Inputs (10001~19999)：1 bit 唯讀，對應實體按鈕/開關
• Input Registers (30001~39999)：16 bit 唯讀，對應感測器/ADC 數值
• Holding Registers (40001~49999)：16 bit 可讀寫，對應設定參數/控制值

Modbus RTU 使用 CRC-16/MODBUS 演算法進行錯誤檢驗。以下是以 ESP32/STM32 實作的查表法：

// CRC-16/MODBUS 查表法
static const uint16_t modbus_crc_table[256] = {
    0x0000, 0xC0C1, 0xC181, 0x0140, 0xC301, 0x03C0, 0x0280, 0xC241,
    0xC601, 0x06C0, 0x0780, 0xC741, 0x0500, 0xC5C1, 0xC481, 0x0440,
    0xCC01, 0x0CC0, 0x0D80, 0xCD41, 0x0F00, 0xCFC1, 0xCE81, 0x0E40,
    0x0A00, 0xCAC1, 0xCB81, 0x0B40, 0xC901, 0x09C0, 0x0880, 0xC841,
    // ... (完整 256 項查表)
};

uint16_t modbus_crc16(const uint8_t *data, uint16_t len) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        crc = modbus_crc_table[(crc ^ data[i]) & 0xFF] ^ (crc >> 8);
    }
    return crc;  // 低位元組在前
}

以下是以 ESP32 搭配 UART2 與 RS485 收發器（MAX485），讀取 Slave 01 的 Holding Register 0 的完整範例：

#include <HardwareSerial.h>

#define TX2_PIN  17
#define RX2_PIN  16
#define DE_RE_PIN 4   // RS485 方向控制 (DE=1 TX, RE=0 RX)

HardwareSerial ModbusSerial(2);

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    ModbusSerial.begin(9600, SERIAL_8N1, RX2_PIN, TX2_PIN);
    pinMode(DE_RE_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(DE_RE_PIN, LOW);  // 預設接收模式
}

// 發送 Modbus RTU 請求
void modbus_send(uint8_t *frame, uint16_t len) {
    digitalWrite(DE_RE_PIN, HIGH);   // 切換為 TX
    delay(5);
    ModbusSerial.write(frame, len);
    ModbusSerial.flush();
    delay(5);
    digitalWrite(DE_RE_PIN, LOW);    // 切換為 RX
}

// 讀取 Holding Register (Func 03)
bool read_holding_register(uint8_t slave, uint16_t reg_addr, uint16_t *value) {
    uint8_t req[] = {slave, 0x03, (reg_addr>>8)&0xFF, reg_addr&0xFF, 0x00, 0x01};
    uint16_t crc = modbus_crc16(req, 6);
    req[6] = crc & 0xFF;
    req[7] = (crc >> 8) & 0xFF;

    modbus_send(req, 8);

    // 讀取回應 (timeout 100ms)
    uint8_t resp[8];
    uint32_t t = millis();
    uint8_t idx = 0;
    while (millis() - t < 100 && idx < 8) {
        if (ModbusSerial.available()) {
            resp[idx++] = ModbusSerial.read();
        }
    }
    if (idx < 8) return false;  // 逾時

    // 驗證 CRC
    crc = modbus_crc16(resp, 6);
    if (resp[6] != (crc & 0xFF) || resp[7] != ((crc>>8)&0xFF)) return false;

    *value = (resp[3] << 8) | resp[4];
    return true;
}

void loop() {
    uint16_t temp;
    if (read_holding_register(0x01, 0x0000, &temp)) {
        // 假設暫存器值為溫度（縮放 0.1°C）
        float celsius = temp * 0.1;
        Serial.printf("溫度: %.1f°C\n", celsius);
    } else {
        Serial.println("Modbus 讀取失敗");
    }
    delay(1000);
}

STM32 作為 Modbus Slave 時，建議使用 FreeModbus 開源庫，大幅減少開發時間：

// FreeModbus 回呼函數：讀取 Holding Register
eMBErrorCode eMBRegHoldingCB(
    UCHAR *pucRegBuffer, USHORT usAddress,
    USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode)
{
    // usAddress 從 0 開始（對應 40001）
    uint16_t reg_addr = usAddress;

    if (eMode == MB_REG_READ) {
        // 讀取：將內部變數填入緩衝區
        for (int i = 0; i < usNRegs; i++) {
            uint16_t val = get_sensor_value(reg_addr + i);
            pucRegBuffer[i * 2]     = (val >> 8) & 0xFF;     // High byte
            pucRegBuffer[i * 2 + 1] = val & 0xFF;            // Low byte
        }
    } else {
        // 寫入：從緩衝區讀取並更新內部變數
        for (int i = 0; i < usNRegs; i++) {
            uint16_t val = (pucRegBuffer[i * 2] << 8) | pucRegBuffer[i * 2 + 1];
            set_actuator_value(reg_addr + i, val);
        }
    }
    return MB_ENOERR;
}

int main(void) {
    // 初始化 USART2 (RS485)
    eMBInit(MB_RTU, 0x01, 2, 9600, MB_PAR_NONE);
    eMBEnable();
    while (1) {
        eMBPoll();  // 不斷輪詢 Modbus 事件
    }
}

選擇建議：現場設備（感測器/馬達）使用 RTU over RS485；上位機/SCADA使用 TCP；如果需要遠端監控，透過 RTU-to-TCP Gateway 橋接。

1. 差動對：使用雙絞線（Twisted Pair），A(+) 接 A(+)，B(-) 接 B(-)
2. 終端電阻：在匯流排兩端各接 120Ω 電阻，防止訊號反射
3. 偏壓電阻：在 Master 端加 680Ω 上拉（A→VCC）和下拉（B→GND），確保空閒時為已知狀態
4. 隔離：長距離或工業環境使用隔離型 RS485 收發器（如 ADM2483）
5. 接地：設備之間需共地（GND 相連），否則共模電壓會擊穿收發器

• 檢查 Slave 位址是否正確
• 檢查 RS485 A/B 線是否接反
• 檢查 Baud Rate 是否一致
• 用邏輯分析儀抓取 TX 訊號確認封包格式

• baud rate 太高導致訊號失真（工業環境建議 ≤ 19200）
• 終端電阻缺失或位置不對
• 接地不良導致共模電壓超過收發器容忍範圍

• 某個 Slave 的 TX 方向控制邏輯錯誤，一直佔用匯流排
• DE/RE 引腳沒有正確切換
• Slave 回應時間超過 Master timeout

Modbus 通訊協定雖然問世超過 40 年，仍然是工業自動化領域最核心的通訊標準。它的簡單性和可靠性讓它在 IoT 和 Industry 4.0 時代依然活躍。

在 ESP32 或 STM32 上實作 Modbus 時，先確定你需要的資料類型（Coil、Register），選擇正確的功能碼（03/06/16），然後處理好 RS485 的硬體接線和方向控制。對於複雜的 Slave 應用，直接使用 FreeModbus 庫可以省下大量開發時間。

📖 延伸閱讀：RS485 通訊協定完整教學 · FIFO 完全解析 · PID 演算法