51 MCU 를 기반으로 한 Modbus 통신 코드 예제

51单片机（8051内核）是嵌入式개발中最经典的微제어기之一，广泛적용于工业控制、스마트 홈、데이터采集等领域。在51单片机上实现Modbus RTU슬레이브通讯，可以让单片机设备接入표준的산업 자동화네트워크，与PLC、구성(SCADA)软件、上位机进行데이터交互。本文提供完整的51单片机Modbus RTU슬레이브实现代码，包括시리얼 포트初始化、CRC16체크섬、프로토콜분석、레지스터 매핑和主循环处理。

一、硬件환경与자료分配

1.1 推荐硬件설정

项目	사양	설명
单片机	STC89C52RC / STC12C5A60S2	增强型51内核，速度更快
晶振	11.0592MHz	시리얼 포트통신 속도精准，推荐使用
시리얼 포트	UART0（P3.0/P3.1）	用于Modbus RTU通讯
RS485芯片	MAX485 / SP3485	TTL转RS485，DE/RE接P3.2
RAM需求	≥256바이트	표준51内部128바이트可能不够
Flash需求	≥8KB	代码约4-6KB

1.2 레지스터 매핑表

Modbus주소	유형	변수名	설명
0x0000-0x000F	코일（Coil）	coil_regs[16]	16路릴레이출력
0x0000-0x000F	이산 입력	input_regs[16]	16路开关量입력
0x0000-0x001F	유지 레지스터	holding_regs[32]	32个可读写매개변수
0x0000-0x000F	입력 레지스터	analog_regs[16]	16路ADC采集值

二、完整代码实现

2.1 头文件定义（modbus.h）

#ifndef __MODBUS_H
#define __MODBUS_H

#include <reg52.h>

/* 유형定义 */
typedef unsigned char  uint8;
typedef unsigned short uint16;
typedef unsigned long  uint32;

/* Modbus설정 */
#define MODBUS_SLAVE_ADDR    0x01    // 슬레이브 주소
#define MODBUS_BAUDRATE      9600    // 통신 속도
#define MODBUS_BUF_SIZE      64      // 수신/보내기缓冲区大小

/* 기능 코드定义 */
#define FC_READ_COILS        0x01    // 读코일
#define FC_READ_INPUTS       0x02    // 读이산 입력
#define FC_READ_HOLDING      0x03    // 读유지 레지스터
#define FC_READ_ANALOG       0x04    // 读입력 레지스터
#define FC_WRITE_COIL        0x05    // 写单个코일
#define FC_WRITE_REG         0x06    // 写单个레지스터
#define FC_WRITE_COILS       0x0F    // 写多个코일
#define FC_WRITE_REGS        0x10    // 写多个레지스터

/* 异常码 */
#define EX_ILLEGAL_FUNC      0x01    // 非法기능 코드
#define EX_ILLEGAL_ADDR      0x02    // 非法주소
#define EX_ILLEGAL_VALUE     0x03    // 非法데이터值
#define EX_SLAVE_FAILURE     0x04    // 슬레이브设备故障

/* 레지스터 수량 */
#define COIL_COUNT           16
#define INPUT_COUNT          16
#define HOLDING_COUNT        32
#define ANALOG_COUNT         16

/* 全局변수 */
extern uint8  coil_regs[COIL_COUNT];      // 코일 상태
extern uint8  input_regs[INPUT_COUNT];    // 이산 입력
extern uint16 holding_regs[HOLDING_COUNT]; // 유지 레지스터
extern uint16 analog_regs[ANALOG_COUNT];  // 입력 레지스터（ADC）

/* 函数声明 */
void Modbus_Init(void);
void Modbus_Process(void);
uint16 CRC16(uint8 *buf, uint8 len);

#endif

2.2 Modbus主实现文件（modbus.c）

#include "modbus.h"

/* 全局변수定义 */
uint8  coil_regs[COIL_COUNT]      = {0};
uint8  input_regs[INPUT_COUNT]    = {0};
uint16 holding_regs[HOLDING_COUNT] = {0};
uint16 analog_regs[ANALOG_COUNT]  = {0};

/* 수신缓冲区 */
static uint8 rx_buf[MODBUS_BUF_SIZE];
static uint8 rx_len = 0;
static uint8 rx_flag = 0;  // 수신完成标志

/* 보내기缓冲区 */
static uint8 tx_buf[MODBUS_BUF_SIZE];

/* RS485方向控制引脚 */
sbit RS485_DE = P3^2;  // DE/RE控制，1=보내기，0=수신

/* ============================================================
 * CRC16체크섬（Modbus표준多项式0xA001）
 * ============================================================ */
uint16 CRC16(uint8 *buf, uint8 len)
{
    uint16 crc = 0xFFFF;
    uint8 i, j;
    
    for (i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= buf[i];
        for (j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

/* ============================================================
 * 시리얼 포트初始化（9600bps，8N1，11.0592MHz晶振）
 * ============================================================ */
void UART_Init(void)
{
    TMOD &= 0x0F;  // 清除定时器1모드位
    TMOD |= 0x20;  // 定时器1，모드2（8位自动重装）
    
    TH1 = 0xFD;    // 9600bps @ 11.0592MHz
    TL1 = 0xFD;
    
    TR1 = 1;       // 启动定时器1
    SCON = 0x50;   // 시리얼 포트모드1，8位UART，允许수신
    ES = 1;        // 使能시리얼 포트中断
    EA = 1;        // 开总中断
    
    RS485_DE = 0;  // 默认수신모드
}

/* ============================================================
 * 시리얼 포트中断服务函数
 * ============================================================ */
void UART_ISR(void) interrupt 4
{
    static uint8 timer_cnt = 0;
    
    if (RI) {  // 수신中断
        RI = 0;
        if (rx_len < MODBUS_BUF_SIZE) {
            rx_buf[rx_len++] = SBUF;
            timer_cnt = 0;  // 重置超时计数
        }
    }
    
    if (TI) {  // 보내기中断
        TI = 0;
    }
}

/* ============================================================
 * 定时器0中断：用于Modbus帧间隔检测（3.5문자时间）
 * 9600bps时，1문자≈1ms，3.5문자≈3.5ms
 * 定时器0每1ms中断一次
 * ============================================================ */
void Timer0_Init(void)
{
    TMOD &= 0xF0;  // 清除定时器0모드
    TMOD |= 0x01;  // 定时器0，모드1（16位）
    
    TH0 = 0xFC;    // 1ms @ 11.0592MHz (65536-921=0xFC67)
    TL0 = 0x67;
    
    ET0 = 1;       // 使能定时器0中断
    TR0 = 1;       // 启动定时器0
}

void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    static uint8 cnt = 0;
    
    TH0 = 0xFC;  // 重装初值
    TL0 = 0x67;
    
    if (rx_len > 0) {
        cnt++;
        if (cnt >= 4) {  // 约4ms无新데이터，认为帧종료
            rx_flag = 1;
            cnt = 0;
        }
    } else {
        cnt = 0;
    }
}

/* ============================================================
 * 보내기一帧데이터（추가CRC）
 * ============================================================ */
void Modbus_Send(uint8 len)
{
    uint16 crc;
    uint8 i;
    
    crc = CRC16(tx_buf, len);
    tx_buf[len++] = crc & 0xFF;       // CRC低바이트
    tx_buf[len++] = (crc >> 8) & 0xFF; // CRC高바이트
    
    RS485_DE = 1;  // 전환到보내기모드
    
    for (i = 0; i < len; i++) {
        SBUF = tx_buf[i];
        while (!TI);  // 대기보내기完成
        TI = 0;
    }
    
    // 대기最后一个바이트보내기完成
    while (!TI);
    TI = 0;
    
    RS485_DE = 0;  // 전환回수신모드
}

/* ============================================================
 * 보내기异常响应
 * ============================================================ */
void Modbus_Exception(uint8 func, uint8 code)
{
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = func | 0x80;  // 기능 코드最高位置1
    tx_buf[2] = code;
    Modbus_Send(3);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드01：读코일
 * ============================================================ */
void FC01_ReadCoils(uint8 *req)
{
    uint16 시작_addr = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 수량   = (req[4] << 8) | req[5];
    uint8 byte_count, i, bit_pos;
    
    // 检查주소范围
    if (시작_addr + 수량 > COIL_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_READ_COILS, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    byte_count = (수량 + 7) / 8;
    
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_READ_COILS;
    tx_buf[2] = byte_count;
    
    // 打包코일 상태（低位在前）
    for (i = 0; i < byte_count; i++) {
        tx_buf[3 + i] = 0;
    }
    for (i = 0; i < 수량; i++) {
        bit_pos = 시작_addr + i;
        if (coil_regs[bit_pos]) {
            tx_buf[3 + i/8] |= (1 << (i % 8));
        }
    }
    
    Modbus_Send(3 + byte_count);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드02：读이산 입력
 * ============================================================ */
void FC02_ReadInputs(uint8 *req)
{
    uint16 시작_addr = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 수량   = (req[4] << 8) | req[5];
    uint8 byte_count, i, bit_pos;
    
    if (시작_addr + 수량 > INPUT_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_READ_INPUTS, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    byte_count = (수량 + 7) / 8;
    
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_READ_INPUTS;
    tx_buf[2] = byte_count;
    
    for (i = 0; i < byte_count; i++) {
        tx_buf[3 + i] = 0;
    }
    for (i = 0; i < 수량; i++) {
        bit_pos = 시작_addr + i;
        if (input_regs[bit_pos]) {
            tx_buf[3 + i/8] |= (1 << (i % 8));
        }
    }
    
    Modbus_Send(3 + byte_count);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드03：读유지 레지스터
 * ============================================================ */
void FC03_ReadHolding(uint8 *req)
{
    uint16 시작_addr = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 수량   = (req[4] << 8) | req[5];
    uint8 i;
    
    if (시작_addr + 수량 > HOLDING_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_READ_HOLDING, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_READ_HOLDING;
    tx_buf[2] = 수량 * 2;
    
    for (i = 0; i < 수량; i++) {
        tx_buf[3 + i*2]     = (holding_regs[시작_addr + i] >> 8) & 0xFF;
        tx_buf[3 + i*2 + 1] = holding_regs[시작_addr + i] & 0xFF;
    }
    
    Modbus_Send(3 + 수량 * 2);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드04：读입력 레지스터（ADC值）
 * ============================================================ */
void FC04_ReadAnalog(uint8 *req)
{
    uint16 시작_addr = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 수량   = (req[4] << 8) | req[5];
    uint8 i;
    
    if (시작_addr + 수량 > ANALOG_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_READ_ANALOG, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_READ_ANALOG;
    tx_buf[2] = 수량 * 2;
    
    for (i = 0; i < 수량; i++) {
        tx_buf[3 + i*2]     = (analog_regs[시작_addr + i] >> 8) & 0xFF;
        tx_buf[3 + i*2 + 1] = analog_regs[시작_addr + i] & 0xFF;
    }
    
    Modbus_Send(3 + 수량 * 2);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드05：写单个코일
 * ============================================================ */
void FC05_WriteCoil(uint8 *req)
{
    uint16 addr  = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 value = (req[4] << 8) | req[5];
    
    if (addr >= COIL_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_WRITE_COIL, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    // 0xFF00=吸合，0x0000=断开
    if (value == 0xFF00) {
        coil_regs[addr] = 1;
    } else if (value == 0x0000) {
        coil_regs[addr] = 0;
    } else {
        Modbus_Exception(FC_WRITE_COIL, EX_ILLEGAL_VALUE);
        return;
    }
    
    // 回显请求（原样返回）
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_WRITE_COIL;
    tx_buf[2] = req[2];
    tx_buf[3] = req[3];
    tx_buf[4] = req[4];
    tx_buf[5] = req[5];
    Modbus_Send(6);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드06：写单个레지스터
 * ============================================================ */
void FC06_WriteReg(uint8 *req)
{
    uint16 addr  = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 value = (req[4] << 8) | req[5];
    
    if (addr >= HOLDING_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_WRITE_REG, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    holding_regs[addr] = value;
    
    // 回显请求
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_WRITE_REG;
    tx_buf[2] = req[2];
    tx_buf[3] = req[3];
    tx_buf[4] = req[4];
    tx_buf[5] = req[5];
    Modbus_Send(6);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드0F：写多个코일
 * ============================================================ */
void FC0F_WriteCoils(uint8 *req)
{
    uint16 시작_addr = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 수량   = (req[4] << 8) | req[5];
    uint8 byte_count = req[6];
    uint8 i;
    
    if (시작_addr + 수량 > COIL_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_WRITE_COILS, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    // 분석코일 상태
    for (i = 0; i < 수량; i++) {
        coil_regs[시작_addr + i] = (req[7 + i/8] >> (i % 8)) & 0x01;
    }
    
    // 响应：주소+数量
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_WRITE_COILS;
    tx_buf[2] = req[2];
    tx_buf[3] = req[3];
    tx_buf[4] = req[4];
    tx_buf[5] = req[5];
    Modbus_Send(6);
}

/* ============================================================
 * 기능 코드10：写多个레지스터
 * ============================================================ */
void FC10_WriteRegs(uint8 *req)
{
    uint16 시작_addr = (req[2] << 8) | req[3];
    uint16 수량   = (req[4] << 8) | req[5];
    uint8 i;
    
    if (시작_addr + 수량 > HOLDING_COUNT) {
        Modbus_Exception(FC_WRITE_REGS, EX_ILLEGAL_ADDR);
        return;
    }
    
    // 분석레지스터 값（高바이트在前）
    for (i = 0; i < 수량; i++) {
        holding_regs[시작_addr + i] = (req[7 + i*2] << 8) | req[7 + i*2 + 1];
    }
    
    // 响应
    tx_buf[0] = MODBUS_SLAVE_ADDR;
    tx_buf[1] = FC_WRITE_REGS;
    tx_buf[2] = req[2];
    tx_buf[3] = req[3];
    tx_buf[4] = req[4];
    tx_buf[5] = req[5];
    Modbus_Send(6);
}

/* ============================================================
 * Modbus初始化
 * ============================================================ */
void Modbus_Init(void)
{
    UART_Init();
    Timer0_Init();
    rx_len = 0;
    rx_flag = 0;
}

/* ============================================================
 * Modbus主处理函数（在主循环中调用）
 * ============================================================ */
void Modbus_Process(void)
{
    uint16 crc_recv, crc_calc;
    
    if (!rx_flag) return;
    
    // 禁用中断，防止处理过程中수신新데이터
    ES = 0;
    
    // 1. 检查帧길이（最小4바이트：주소+기능 코드+CRC*2）
    if (rx_len < 4) {
        goto reset;
    }
    
    // 2. 检查슬레이브 주소
    if (rx_buf[0] != MODBUS_SLAVE_ADDR) {
        goto reset;  // 不是发给我的，忽略
    }
    
    // 3. CRC 검증
    crc_recv = (rx_buf[rx_len-1] << 8) | rx_buf[rx_len-2];
    crc_calc = CRC16(rx_buf, rx_len - 2);
    if (crc_recv != crc_calc) {
        goto reset;  // CRC错误，丢弃
    }
    
    // 4. 根据기능 코드分发处理
    switch (rx_buf[1]) {
        case FC_READ_COILS:
            FC01_ReadCoils(rx_buf);
            break;
        case FC_READ_INPUTS:
            FC02_ReadInputs(rx_buf);
            break;
        case FC_READ_HOLDING:
            FC03_ReadHolding(rx_buf);
            break;
        case FC_READ_ANALOG:
            FC04_ReadAnalog(rx_buf);
            break;
        case FC_WRITE_COIL:
            FC05_WriteCoil(rx_buf);
            break;
        case FC_WRITE_REG:
            FC06_WriteReg(rx_buf);
            break;
        case FC_WRITE_COILS:
            FC0F_WriteCoils(rx_buf);
            break;
        case FC_WRITE_REGS:
            FC10_WriteRegs(rx_buf);
            break;
        default:
            Modbus_Exception(rx_buf[1], EX_ILLEGAL_FUNC);
            break;
    }

reset:
    rx_len = 0;
    rx_flag = 0;
    ES = 1;  // 重新使能시리얼 포트中断
}

2.3 主程序（main.c）

#include "modbus.h"

/* 릴레이출력引脚映射 */
sbit RELAY1 = P1^0;
sbit RELAY2 = P1^1;
sbit RELAY3 = P1^2;
sbit RELAY4 = P1^3;

/* 开关量입력引脚映射 */
sbit INPUT1 = P2^0;
sbit INPUT2 = P2^1;
sbit INPUT3 = P2^2;
sbit INPUT4 = P2^3;

/* 延时函数 */
void Delay_ms(uint16 ms)
{
    uint16 i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 114; j++);
}

/* ADC采集（需根据实际ADC芯片实现，此处为模拟） */
void ADC_Scan(void)
{
    // 模拟ADC值，实际项目中替换为真实ADC읽기
    analog_regs[0] = 512;   // 通道0
    analog_regs[1] = 1024;  // 通道1
    analog_regs[2] = 2048;  // 通道2
    analog_regs[3] = 4095;  // 通道3
}

/* 更新입력 상태 */
void Input_Scan(void)
{
    input_regs[0] = INPUT1 ? 1 : 0;
    input_regs[1] = INPUT2 ? 1 : 0;
    input_regs[2] = INPUT3 ? 1 : 0;
    input_regs[3] = INPUT4 ? 1 : 0;
}

/* 更新릴레이출력 */
void Output_Update(void)
{
    RELAY1 = coil_regs[0] ? 1 : 0;
    RELAY2 = coil_regs[1] ? 1 : 0;
    RELAY3 = coil_regs[2] ? 1 : 0;
    RELAY4 = coil_regs[3] ? 1 : 0;
}

void main(void)
{
    // 初始化
    Modbus_Init();
    
    // 设置유지 레지스터初始值
    holding_regs[0] = 100;   // 매개변수1
    holding_regs[1] = 200;   // 매개변수2
    holding_regs[2] = 9600;  // 통신 속도매개변수
    
    while (1) {
        Modbus_Process();   // 处理Modbus请求
        Input_Scan();       // 扫描입력
        Output_Update();    // 更新출력
        
        // 每100ms采集一次ADC
        static uint16 tick = 0;
        if (++tick >= 100) {
            tick = 0;
            ADC_Scan();
        }
        
        Delay_ms(1);
    }
}

三、关键기술설명

3.1 帧间隔检测

Modbus RTU프로토콜规定，两帧之间必须有至少3.5个문자时间的静默间隔。在9600bps下，一个문자（含시작位、데이터 비트、정지 비트）约1ms，因此3.5문자约3.5ms。本实现使用定时器0每1ms中断一次，连续4ms无新데이터则认为一帧수신完成。

3.2 CRC16체크섬

Modbus RTU使用CRC16체크섬，多项式为0xA001（即0x8005的反转）。계산时初始值为0xFFFF，每바이트异或后右移8次，最低位为1时异或0xA001。보내기时CRC低바이트在前，高바이트在后。

3.3 RS485方向控制

MAX485芯片的DE和RE引脚短接，由单片机IO控制：高电平为보내기모드，低电平为수신모드。보내기完成后必须及时전환回수신모드，否则无法수신下一帧데이터。

3.4 코일 상태打包

读코일和读이산 입력的响应中，多个状态按位打包到바이트中，最低位对应第一个코일。例如읽기8个코일，状态为[1,0,1,0,0,0,0,0]，打包为0x05。

四、测试与验证

4.1 使用Modbus Poll测试

• 연결방식：USB转RS485컨버터，A接A，B接B
• 시리얼 포트 매개변수：9600，8데이터 비트，패리티 없음，1정지 비트
• 슬레이브 주소：1
• 读유지 레지스터：주소0，数量10，应返回[100, 200, 9600, 0, 0...]
• 写单个코일：주소0写ON，对应RELAY1应吸合
• 读입력 레지스터：주소0，数量4，应返回[512, 1024, 2048, 4095]

4.2 常见문제排查

• 无响应：检查RS485배선（A/B是否接反）、슬레이브 주소、통신 속도是否一致
• CRC错误：确认晶振为11.0592MHz，检查통신 속도계산是否正确
• 偶尔丢包：추가帧间隔时间，检查RS485总线是否加120Ω终端电阻
• 只能读不能写：检查写操作的주소范围，确认레지스터是否可写
• 데이터错乱：检查大端小端형식，Modbus표준为高바이트在前

五、扩展建议

• 추가看门狗：防止程序跑飞，提高工业现场可靠性
• 매개변수掉电저장：使用STC单片机的EEPROM저장유지 레지스터值
• 多시리얼 포트支持：STC12시리즈有2个시리얼 포트，可同时支持Modbus和디버깅출력
• 추가广播功能：支持슬레이브 주소0的广播写操作
• 自定义기능 코드：实现厂商特定功能，如固件업그레이드、校准等
• Modbus ASCII：如需ASCII모드，将CRC替换为LRC체크섬，帧형식改为콜론开头

本代码实现了完整的Modbus RTU슬레이브功能，支持所有표준기능 코드，可直接用于51单片机项目개발。建议先在STC89C52RC개발板上验证通讯正常，再移植到实际产品中。代码结构清晰，레지스터 매핑表可根据实际需求修改。