Modbus库开发笔记之一：实现功能的基本设计

Modbus作为开放式的工业通讯协议，在各种工业设备中应用极其广泛。本人也使用Modbus通讯很多年了，或者用现成的，或者针对具体应用开发，一直以来都想要开发一个比较通用的协议栈能在后续的项目中复用，而不必每次都写一遍。现在利用项目研发的机会，开发一个自己的Modbus协议栈。

Modbus有国际标准，也有国家标准，内容是完全一样的。在标准钟支持2种物理链路：一是基于RS485（RS232）的串行链路；二是基于以太网的TCP/IP链路。事实上，Modbus协议作为一种应用层协议对物理键子并没有特别的要求，光纤、无线等都是可以实现的。

本次主要是开发Modbus RTU和Modbus TCP两种标准协议方式，支持常用的功能码：

功能码	名称	实现	描述
0x01	读线圈	是	对可读写型的状态量进行读取
0x02	读离散输入	是	对只读型的状态量进行读取
0x03	读保持寄存器	是	对可读写型的寄存器量进行读取
0x04	读输入寄存器	是	对只读型的寄存器量进行读取
0x05	写单个线圈	是	对单个的读写型的状态量进行写入
0x06	写单个寄存器	是	对单个的读写型的寄存器量进行写入
0x0F	写多个线圈	是	对多个的读写型的状态量进行写入
0x10	写多个寄存器	是	对多个的读写型的寄存器量进行写入

Modbus协议是一种主从（或者说客户端/服务器）模式协议，有主站（客户端）发起事务请求，从站（服务器）响应事务请求。一般我们想要访问（或者说被访问）的设备即为从站（服务器），而我们通常去访问别人的设备就是主站（客户端）。通常在RTU时被称为主站和从站，而在TCP方式时被称为服务器和客户端。这种称呼只是叫法不同，但在本质上是没有区别我的。后续这两种称呼我们会同时使用。在这次开发中，我们计划同时实现主站和从站的功能。

1、标准流程

启动MODBUS 事务处理的客户机创建 MODBUS 应用数据单元。当从客户机向服务器设备发送报文时，功能码向服务器指示将执行哪种操作。

从客户机向服务器设备发送的报文数据域包括附加信息，服务器使用这个信息执行功能码定义的操作。如果在一个正确接收的 MODBUS ADU 中，不出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么服务器至客户机的响应数据域包括请求数据。

正常事务处理流程

如果出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么域包括一个异常码，服务器应用能够使用这个域确定下一个执行的操作。当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应）。对于一个正常响应来说，服务器仅对原始功能码响应。

 

异常事务处理流程

2、操作设计

根据我们对Modbus标准事务流程的理解，我们来设计主站和从站的具体操作过程。

主站操作流程：

（1）、初始化主站，站标识符，定时器、

（2）、生成访问命令

生成命令ADU分两层实现：网络层和链路层。

网络层实现与具体链路无关的PDU（包括功能码和数据，这里的数据指传送的数据，并非指变量的值，事实上数量和地址也包含在内）。对应的文件是mbpdu.c/.h，实现对pud单元的数据处理，包括命令和响应。

链路层实现ADU的封装。对应的文件是mbrtu.c/.h(和mbtcp.c/.h和mbascii.c/.h)，实现ADU单元的封装；同时作为从站时，写操作的响应也在此处封装。

（3）、定时发送访问命令，读命令定是轮询，写命令具有更高的优先级。在有写命令时暂停读命令，

（4）、解析接收到的数据，进行相应操作

从站操作流程：

（1）、协议栈初始化：从站地址设置，创建数据存储域，访问控制

（2）、从站接收消息并解析

解析消息后操作数据（读写对应对象的值）

生成响应

（3）、生成响应数据并回复

3、命令格式

不同的功能码具有不同的消息格式，我们只简单说一下我们将要实现的以上8中功能码的信息格式。

（1）功能码0x01：读线圈

在一个远程设备中，使用该功能码读取线圈的1至2000个连续状态。请求 PDU详细说明了起始地址，即指定的第一个线圈地址和线圈编号。从零开始寻址线圈。因此寻址线圈 1-16 为 0-15。

根据数据域的每个比特将响应报文中的线圈分成为一个线圈。指示状态为 1= ON 和 0= OFF。第一个数据字节的 LSB（最低有效位）包括在询问中寻址的输出。其它线圈依次类推，一直到这个字节的高位端为止，并在后续字节中从低位到高位的顺序。

如果返回的输出数量不是八的倍数，将用零填充最后数据字节中的剩余比特（一直到字节的高位端）。字节数量域说明了数据的完整字节数。具体格式举例如下：

 

（2）功能码0x02：读离散量输入

在一个远程设备中，使用该功能码读取离散量输入的 1 至 2000 连续状态。请求 PDU 详细说明了起始地址，即指定的第一个输入地址和输入编号。从零开始寻址输入。因此寻址输入 1-16 为 0-15。

根据数据域的每个比特将响应报文中的离散量输入分成为一个输入。指示状态为1=ON 和0=OFF。第一个数据字节的 LSB（最低有效位）包括在询问中寻址的输入。其它输入依次类推，一直到这个字节的高位端为止，并在后续字节中从低位到高位的顺序。

如果返回的输入数量不是八的倍数，将用零填充最后数据字节中的剩余比特（一直到字节的高位端）。字节数量域说明了数据的完整字节数。具体格式举例如下：

 

事实上，功能码0x01和0x02的数据格式是完全一样的，操作方式也是完全一样的，所不同只是操作的对象不同。

（3）功能码0x03：读保持寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码读取保持寄存器连续块的内容。请求 PDU 说明了起始寄存器地址和寄存器数量。从零开始寻址寄存器。因此，寻址寄存器 1-16 为 0-15。

将响应报文中的寄存器数据分成每个寄存器有两字节，在每个字节中直接地调整二进制内容。

对于每个寄存器，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。具体的格式举例如下：

 

响应信息的长度与具体读取的数据量有关。

（4）功能码0x04：读输入寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码读取 1 至大约 125 的连续输入寄存器。请求 PDU 说明了起始地址和寄存器数量。从零开始寻址寄存器。因此，寻址输入寄存器 1-16 为 0-15。

将响应报文中的寄存器数据分成每个寄存器为两字节，在每个字节中直接地调整二进制内容。

对于每个寄存器，第一个字节包括高位比特，并且第二个字节包括低位比特。具体的格式举例如下：

 

事实上，功能码0x03和0x04的数据格式是完全一样的，操作方式也是完全一样的，所不同只是操作的对象不同。响应信息的长度与具体读取的数据量有关。

（5）功能码0x05：写单个线圈

在一个远程设备上，使用该功能码写单个输出为 ON 或 OFF。

请求数据域中的常量说明请求的ON/OFF状态。十六进制值0xFF00请求输出为 ON。十六进制值0x0000 请求输出为OFF。其它所有值均是非法的，并且对输出不起作用。

请求 PDU 说明了强制的线圈地址。从零开始寻址线圈。因此，寻址线圈1为0。线圈值域的常量说明请求的 ON/OFF 状态。十六进制值 0XFF00 请求线圈为 ON。十六进制值 0X0000 请求线圈为OFF。其它所有值均为非法的，并且对线圈不起作用。

正常响应是请求的应答，在写入线圈状态之后返回这个正常响应。具体的格式举例如下：

 

（6）功能码0x06：写单个寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码写单个保持寄存器。

请求 PDU 说明了被写入寄存器的地址。从零开始寻址寄存器。因此，寻址寄存器1为0。

正常响应是请求的应答，在写入寄存器内容之后返回这个正常响应。具体的格式举例如下：

 

（7）功能码0x0F：写多个线圈

在一个远程设备中，使用该功能码强制线圈序列中的每个线圈为ON或OFF。请求PDU说明了强制的线圈参考。从零开始寻址线圈。因此，寻址线圈1为0。

请求数据域的内容说明了被请求的ON/OFF状态。域比特位置中的逻辑“1”请求相应输出为ON。域比特位置中的逻辑“0”请求相应输出为 OFF。

正常响应返回功能码、起始地址和强制的线圈数量。具体的格式举例如下：

 

（8）功能码0x10：写多个寄存器

在一个远程设备中，使用该功能码写连续寄存器块(1至约120个寄存器)。

在请求数据域中说明了请求写入的值。每个寄存器将数据分成两字节。

正常响应返回功能码、起始地址和被写入寄存器的数量。具体的格式举例如下：

 

清楚了以上这些说明，我们就可以开始Modbus协议的开发之旅了。