RS-485 与 Modbus：差分总线上的一主多从轮询
更新时间：2026-09-12。本文是「集成电路大类 · 芯片设计」**入门层（beginner）**数字逻辑基础第一百零四篇。UART只会点对点、对地电平、几米就不行；工厂里传感器、变频器、PLC 之间动辄几百米、强电磁干扰，于是把同样的异步字节放到 RS-485 差分线上，再用 Modbus RTU 规定「谁先说、说什么」。它和 CAN是工业现场最常见的两条总线。
本文要回答的问题
- RS-485 的 A/B 差分为什么比 TTL/RS-232 传得远、抗干扰？
- 半双工总线上的 DE/RE 方向切换什么时候做，做早做晚会怎样？
- Modbus RTU 一帧由哪几部分组成？功能码 03/06/10 在读写什么？
- 多个从机靠什么区分？为什么 RS-485 自己不仲裁、只能主站轮询？
- 帧与帧之间怎么分界？Modbus CRC16 有什么特别？
一、RS-485 物理层：平衡差分、半双工
RS-485（EIA-485）是电气规范，数据格式仍是普通 UART 的 8N1/8E1：
- 平衡差分：用一对线 **A（D−）/B（D+）**的电压差表示 1/0（通常 B>A 为 1，约定依器件标注），共模噪声在两线上等幅出现、被接收端相减抵消，故能传 1200 米、抗强干扰；
- 半双工总线：所有节点的 A 接 A、B 接 B 并联，任一时刻只能一个发送；总线两端各并 120Ω 终端电阻匹配线缆；
- 节点数：按「单位负载」计，标准收发器驱动 32 个单位负载（1/8 UL 器件可挂更多）；
- 失效偏置（failsafe bias）：总线空闲无人驱动时压差为 0 处于不确定，靠偏置电阻或带 failsafe 的接收器把空闲确定为逻辑 1（标记态），避免误起始位。
二、方向控制：DE/RE 与时序
收发器有使能脚：DE 打开发送驱动器、/RE 打开接收器（常把 DE 和 /RE 接在一起由一个 GPIO 控制）。发送前置 1（发送）、发完立刻置 0（接收）。切换时机是关键坑：
- 太早切接收：最后一个停止位还没真正驱动到线上就被截断，从机收不到完整字节；
- 太晚切回：主机仍占着总线，从机的应答被顶回去或撞车；
- 正确做法是在最后一个停止位的最后一位移出后（用 UART 的 TC/TXE「发送完成」中断，而非写入发送寄存器就切）再拉低 DE，给收发器和总线留 1 个位时间左右余量。
RS-485 只定义电气，本身没有仲裁、没有地址、没有应答规则——谁能说话、说什么由上层协议规定，最常见就是 Modbus。
三、Modbus RTU：一主多从、请求-应答
Modbus 把设备建模成一组寄存器：线圈（1 位）和寄存器（16 位），又分只读输入和可读写保持寄存器。RTU 帧结构：
[从机地址 1B][功能码 1B][数据 nB][CRC16 2B，低字节先发]- 地址：每个从站 1~247 唯一；主站请求里带目标地址，只有它应答；地址 0 为广播（写命令、无从站应答）；
- 常用功能码：0x03 读保持寄存器、0x04 读输入寄存器、0x01 读线圈、0x06 写单个保持寄存器、0x10 写多个保持寄存器；
- 读请求数据段=起始寄存器号(2B)+数量(2B)；从站回=字节数+寄存器值；写请求直接带值；
- 因为没有片选线，地址字段就是「这帧给谁」的选择机制。
主站严格轮询：发一帧→等对应从站应答（超时则重发/报错）→再问下一个。从站绝不能主动发话，因此不会冲突——用「主从调度」代替了 CAN的硬件仲裁，简单但实时性取决于轮询周期。
四、帧间隔与 CRC16
- 帧边界靠静默：RTU 模式没有起始符，规定两帧之间总线空闲 ≥3.5 个字符时间（9600bps 下约 4ms），同一帧内字节间隔不得超过 1.5 字符，接收方靠「3.5 字符空闲」判定一帧结束。这要求 UART 接收用空闲中断或定时器来组帧，不能只按字节读；
- CRC16-Modbus：多项式 0xA001（即 0x8005 反射），初值 0xFFFF，结果低字节在前发送；和一般 CRC 字节序相反，移植常见错误就在初值/字节序（CRC 原理见 CRC/LFSR）；
- 异常时从站回功能码最高位置 1（如 0x83）+ 异常码（非法地址/数据等）。
五、变体与对比
- Modbus ASCII：用可见 ASCII、冒号
:开头、回车换行结束、LRC 校验，效率低但可读性好； - Modbus TCP：跑在以太网上，用 MBAP 头（事务号/协议/长度/单元号）代替地址和 CRC（TCP/IP 已保证校验），端口 502；
- RS-485 差分+Modbus 主从适合「几百米、几十节点、周期采集」的 PLC/变频器/仪表网络；需要多主、优先级和硬件错误隔离时用 CAN，需要大带宽用以太网。
与现有篇目的衔接
总结
一句话总结：RS-485 把普通 UART 字节搬到平衡差分物理层上，用 A/B 两线电压差表示 1/0，使共模干扰被相减抵消，从而支持约 1200 米传输和数十到数百个按单位负载计的节点，总线半双工、所有节点同名线并联、两端各接 120Ω 终端电阻，并靠失效偏置把空闲确定为标记态；收发器用 DE//RE 切换收发方向，必须在最后一个停止位真正移出（TC 发送完成）后再切回接收，过早会截断停止位、过晚会顶住从机应答。RS-485 只规定电气、不含仲裁和地址，上层最常用 Modbus RTU 做一主多从请求-应答：帧为从机地址、功能码、数据、CRC16，从站靠地址字段被选中（0 为广播），0x03/0x04 读寄存器或输入、0x06/0x10 写单个或多个保持寄存器，主站逐个轮询、从站绝不主动发话，用调度避免冲突，实时性取决于轮询周期；帧之间靠至少 3.5 个字符时间的总线静默分界，校验用初值 0xFFFF、多项式 0xA001 且低字节先发的 CRC16-Modbus，异常应答把功能码最高位置 1。它另有 ASCII 和基于以太网 MBAP 头、端口 502 的 Modbus TCP 变体，适合长距离多节点周期采集，与带硬件仲裁的 CAN 和高带宽以太网互补。