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來源 | 瑞薩嵌入式小百科
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學(xué)習(xí)Modbus的快速方法
1.1?寄存器速記
作為初學(xué)者，你閱讀Modbus協(xié)議時會發(fā)現(xiàn)它的概念別扭、重復(fù)、不易區(qū)分，比如線圈狀態(tài)（Coil Status）、離散輸入狀態(tài)（Discrete Input Status）、保持寄存器（Holding Register）、輸入寄存器（Input Register）。
回到事情的本質(zhì)，在工業(yè)控制PLC領(lǐng)域，涉及數(shù)字信號的輸入、輸出，模擬信號的輸入、輸出，如下圖所示：
對于軟件開發(fā)而言：
①想得到按鍵輸入狀態(tài)時，讀取到的是一位數(shù)據(jù)。
②想控制LED時，需要輸出一位數(shù)據(jù)，想讀取LED當(dāng)前狀態(tài)時，也可以讀取到一位數(shù)據(jù)。
③想讀取模擬信號時，讀取到的是多位數(shù)據(jù)，比如16位數(shù)據(jù)。
④想輸出模擬信號時，寫入的是多位數(shù)據(jù)，比如16位數(shù)據(jù)；也可以讀取“模擬量輸出”的當(dāng)前值。
在上圖中，“數(shù)字量輸入DI”是只讀的，“數(shù)字量輸出DO”是可讀可寫的，“模擬量輸入AI”是只讀的，“模擬量輸出AO”是可讀可寫的。
上圖里的“模擬量輸入AI”、“模擬量輸出AO”都表示“多位數(shù)值”，這些“多位數(shù)值”無需局限于只表示“模擬量”，也可以表示“多位數(shù)字量”。把AI、AO的含義擴(kuò)展后，如下圖所示：
對于軟件開發(fā)而言：
①想得到按鍵輸入狀態(tài)時，讀取到的是一位數(shù)據(jù)。
②想控制LED時，需要輸出一位數(shù)據(jù)，想讀取LED當(dāng)前狀態(tài)時，也可以讀取到一位數(shù)據(jù)。
③想讀取參數(shù)時，讀取到的“輸入寄存器”，得到多位數(shù)據(jù)，比如16位數(shù)據(jù)。
④想設(shè)置參數(shù)時，寫的是“保存寄存器”，寫入的是多位數(shù)據(jù)，比如16位數(shù)據(jù)；也可以讀“保存寄存器”。
在電子系統(tǒng)里，無論是單bit的數(shù)值、多bit的數(shù)值，都是保存在寄存器里。根據(jù)上圖，這些寄存器可以分為4類：
寄存器種類 | 說明 | 與PLC類比 | 舉例說明 |
線圈狀態(tài) (Coil?Status) | 輸出端口。可設(shè)定端口輸出狀態(tài)，也可以讀取該位的輸出狀態(tài)。可分為兩種不同的執(zhí)行狀態(tài)，例如保持型或邊沿觸發(fā)型。 | DO (數(shù)字量 輸出) | 電磁閥輸出、 MOSFEF輸出、LED顯示等 |
離散輸入狀態(tài) (Discrete?Input Status) | 輸入端口。通過外部設(shè)定改變輸入狀態(tài)，可讀但不可以寫。 | DI (數(shù)字量 輸入) | 撥碼開關(guān)、接近開關(guān)等 |
保持寄存器(Holding Register) | 輸出參數(shù)或保持參數(shù)，控制器運行時被設(shè)定的某些參數(shù)，可讀可寫。 | AO (模擬量 輸出) | 模擬量輸出設(shè)定值，PID運行參數(shù)，變量閥輸出大小，傳感器報警上限下限 |
輸入寄存器（Input Register） | 輸入?yún)?shù)。控制器運行時從外部設(shè)備獲得的參數(shù)，但可讀不可寫。 | AI （模擬量 輸入) | 模擬量輸入 |
在Modbus中，多位操作時都是16位（2bytes）的，總結(jié)如下：
①bit操作涉及的寄存器有2類：線圈狀態(tài)（可讀可寫）、離散輸入狀態(tài)（只讀）。
②16bit操作的寄存器有2類：保存寄存器（可讀可寫）、輸入寄存器（只讀）。
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一個設(shè)備里，可能有多個“線圈狀態(tài)”、多個“離散輸入狀態(tài)”、多個“保存寄存器”、多個“輸入寄存器”。怎么分辨某類寄存器中的某一個？它們有“寄存器地址”，如下圖所示：
寄存器種類 | PLC寄存器 地址范圍 | Modbus寄存器 地址范圍 | 簡稱 | 讀寫 狀態(tài) |
線圈狀態(tài) | 00001~09999 | 0000H~FFFFH | 0x | 可讀可寫 |
離散輸入狀態(tài) | 10001~19999 | 0000H~FFFFH | 1x | 只讀 |
保持寄存器 | 40001~49999 | 0000H~FFFFH | 4x | 可讀可寫 |
輸入寄存器 | 30001~39999 | 0000H~FFFFH | 3x | 只讀 |
在上表中，“線圈狀態(tài)”的寄存器N、“離散輸入狀態(tài)”的寄存器N，是兩個不同的寄存器。
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簡單記憶方法：
①偶數(shù)類的寄存器”是可讀可寫的，比如“0x”和“4x”。
②“奇數(shù)類的寄存器”是只讀的，比如“1x”和“3x”。
③“0x”和“1x”是bit寄存器。
④“3x”和“4x”是16bit寄存器。
1.2?協(xié)議速記
Modbus是一主多從的協(xié)議，如下圖所示：
主控發(fā)出的數(shù)據(jù)里，必定含有如下信息：
①設(shè)備地址：你要訪問從設(shè)備1，還是訪問從設(shè)備2。
②訪問哪類寄存器，是讀還是寫，只訪問1個寄存器，還是多個寄存器：這被稱為功能碼。
③起始寄存器地址、寄存器數(shù)量：這在數(shù)據(jù)里定義。
④為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽浚€附帶有CRC檢驗碼。
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以Modbus RTU協(xié)議為例，主控發(fā)出的數(shù)據(jù)包格式如下：
功能代碼有哪些？常用的功能碼如下：
①讀線圈狀態(tài)（01）
②讀離散輸入狀態(tài)（02）
③寫單個線圈（05）、寫多個線圈（15）
④讀保持寄存器（03）
⑤讀輸入寄存器（04）
⑥寫單個保存寄存器（06）、寫多個保存寄存器（16）
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數(shù)據(jù)的格式，由功能代碼確定。以“讀線圈狀態(tài)”為例，主控發(fā)出的請求、從設(shè)備返回的響應(yīng)包，或者從設(shè)備返回的錯誤包，格式如下：
上圖中，寄存器起始地址（“Starting Address”）是16位的，先傳輸高字節(jié)，再傳輸?shù)妥止?jié)。線圈數(shù)量（“Quantiti of coils”）也是16位的，先傳輸高字節(jié)，再傳輸?shù)妥止?jié)。
響應(yīng)包回復(fù)多少個數(shù)據(jù)呢（上圖中N為多少）？N= Quantiti of coils / 8，如果余數(shù)不等于0，則N再加1。比如Quantiti of coils=9，則返回2個字節(jié)。
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在《Modbus_Application_Protocol_V1_1b3.pdf》中， 列出了如下功能表。根據(jù)次表，在結(jié)合《5.5 Moubus功能碼詳解》的示例，就可以對Modbus RTU協(xié)議有很好的理解了。
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