Modbus-RTU协议 & FreeModbus的移植

女爷i 2023-06-06 10:37 26阅读 0赞

# Modbus-RTU协议 & FreeModbus的移植 #

## 1. Modbus-RTU协议 ##

modbus-rtu分为主机（Master）和从机（Slaver）。

**主机就是用来读写从机数据的：**  
它通过发送指令来读写从机的数据；之后，接收从机的返回信息，以评估指令的执行情况。

**从机就是用来存储数据的:**  
只有`对应的从机`收到了`我需要执行动作`的指令，才会执行相应的操作，并将执行结果返回给主机。不同的指令，不同的执行情况，返回的信息都不相同。

以上内容概括了Modbus-RTU的通信过程。

Modbus是\_\_异步半双工\_\_协议。  
如同对讲机一般，同一时刻内，主机发指令、从机返回指令只可以进行一个。

## 四种数据类型 ##

虽然概括来讲，Modbus-RTU协议就是**主机读写各从机数据**  
那么，主机读写的都是什么类型的数据呢？

Modbus-RTU协议规定，从机有四种数据类型，分为两类

一类是以 **bit** 为单位进行操作：

`线圈` Coils；每个线圈对应一个bit

`离散输入寄存器` Discrete input register；同上

二者的区别是线圈对于主机可读可写，而离散输入寄存器是只读的

第二类是以 **word**（在Modbus中，word是2Byte） 为单位进行操作

`保持寄存器` Holding register；每个保持寄存器对应2个字节

`输入寄存器` Input register；同上

同样地，保持寄存器可读可写，输入寄存器是只读的

## Modbus-RTU的指令 ##

既然已经明确了读写的数据类型，那么具体操作是怎样的呢？或者说发送、返回指令的格式？  
这一部分网上的内容众说纷纭。为了保证协议符合标准，我们最好参考[官方Modbus协议规范][Modbus]  
（虽说是英文文档，但四级水平足矣`^_^`）

文档中非常详细地定义了各种指令的具体格式。借此即可确定下来各个指令的详细内容，进而  
使得从机执行特定的操作。下面仅举一例——`怎样令主机读取001号从机的第5-第14线圈的内容？`

`想令主机读取1号从机`，地址码即为0x01；0x01就是发送指令的首个字节。

`第二个字节是功能码`。现在使用读取从机线圈的功能，功能码即为0x01。

`第3、4字节是起始地址`（2个字节的地址）。我们从5号线圈开始，即起始地址是0x0004（每个从机的线圈编号是从1开始的，但对应地址是从0开始，即地址比编号-1）。因此0x00、0x04是发送指令的第3、4字节。

`第5、6字节是读取的线圈数`，这里是10个，即0x000A。因此0x00、0x0A分别是发送指令的第5、6字节。

`第7、8字节`是CRC校验码1，根据前面所有字节的内容，[通过计算，可得CRC校验码][CRC]为0xFDCC；  
因此0xFD、0xCC是发送指令的最后2个字节。

至此可确定主机发送指令的全部内容：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>01</th> 
   <th>01</th> 
   <th>00</th> 
   <th>04</th> 
   <th>00</th> 
   <th>0A</th> 
   <th>FD</th> 
   <th>CC</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>从机地址</td> 
   <td>功能码</td> 
   <td>起始地址H</td> 
   <td>起始地址L</td> 
   <td>数量H</td> 
   <td>数量L</td> 
   <td>CRC校验H</td> 
   <td>CRC校验L</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

由此，主机通过总线将此指令发给**所有的从机**。  
指令的收发建议使用串口完成。且每帧（即每个指令）之间至少要有**3.5Byte传输时间的间隔**（即传输28个bit所需的时间长度），用于区分不同的帧。这个间隔是标准协议的规定，我们需要遵守。

现在假设每个从机都已经完整无误地收到了上面的指令，**那么所有的从机都会执行这个命令吗？然后它们都会向主机返回各自的执行情况吗？**

不，从机会将指令的地址码0x04和自身的地址码匹配。只有两者相同时，或者指令中的地址码是广播地址0x00时，从机才会响应指令。

对于地址码是0x00的广播指令，由于所有的从机都会执行这一命令，因此它们都不会向主机返回任何信息，避免出现错误。所以广播指令适合写从机，而不适合读从机。

如果从机正确地执行了读线圈的命令，将返回怎样的结果呢？或者说返回帧是怎样的呢？

按照官方标准，`返回帧的首字节是从机地址`，即0x01  
`第2字节是功能码`，即0x01

`第3字节是读取的字节数`。由于读取了10个线圈，且按协议标准，不足1字节，按1字节计算，不足的部分补零。因此，字节数是2，即0x02

`第4、5字节是读取的具体内容`。假设001号从机的0-15线圈的内容是0010 0101 0110 1011。

现暂定从机以uint8\_t数组的形式存储线圈的内容，即缓存区的内容为Coils\_Buf\[0\] = 0xA4, Coils\_Buf\[1\] = 0xD6（这里要注意**缓存区每个字节的低二进制位对应线圈的低地址，高二进制位对应高地址**；不理解的话可以将缓存区的内容展开为二进制位，和线圈的内容对比一下）。

现在要将第4-第13个二进制位在返回帧中以2个字节显示，即0110 1010（地址11 - 4的线圈内容），000000 01（高6位的补零&地址是13 - 12的线圈内容）。因此，  
第4、第5字节分别是0x6A、0X01。

最后2个字节是CRC校验位。与之前一样的方法，可得此帧的CRC校验字节是0x56、0x9C。

至此，返回帧的全部内容已被确定：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>01</th> 
   <th>01</th> 
   <th>02</th> 
   <th>6A</th> 
   <th>02</th> 
   <th>56</th> 
   <th>9C</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>从机地址</td> 
   <td>功能码</td> 
   <td>字节数</td> 
   <td>内容L</td> 
   <td>内容H</td> 
   <td>CRC校验H</td> 
   <td>CRC校验L</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从机会在数据读取完毕后将此帧向主机返回，主机由此读到了从机线圈的内容。至此，01H指令运行完毕。

## 2. FreeModbus的移植 ##

什么是FreeModbus这里不再赘述。

本文基于[Github上的FreeModbus][Github_FreeModbus]  
程序中使用了[RT-Thread操作系统][RT-Thread]

移植过程时将Modbus协议栈复制到自己的工程模板下即可，后序的操作可以参照其附带的说明。  
在收发指令时，最好通过串口+DMA的方式一次性地收发整个帧，而不是原程序中逐个字节地收发。否则所发送的帧容易被理解成多个单字节的帧，导致通信失败。

\#endif

--------------------

1.  这里的CRC校验码是对前面所有字节进行特定的计算而得出的，用于检测数据是否无失真地传输。从机收到指令时，会对指令再次进行CRC计算。一旦两次计算的结果不同，说明指令在传输过程中发生了错误。 ↩︎

[Modbus]: http://www.modbus.org/specs.php
[CRC]: https://cht.nahua.com.tw/index.php?url=https://cht.nahua.com.tw/software/crc16/&key=Modbus,%20RTU,%20CRC16&title=%E8%A8%88%E7%AE%97%20Modbus%20RTU%20CRC16
[Github_FreeModbus]: https://github.com/armink/FreeModbus_Slave-Master-RTT-STM32
[RT-Thread]: https://www.rt-thread.org/page/about.html