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大家好，我是麥鴿
以前寫過一篇文章是關于modbus協(xié)議的，只是簡單地做了一下介紹，這次對于modbus RTU協(xié)議進行了深入的學習。
介紹modbus rtu之前，我們可以了解到，Modbus是施耐德電氣公司，于1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。四十多年過去了，現(xiàn)在仍然被廣泛使用在各個工業(yè)控制領域。除了這個協(xié)議很穩(wěn)定的原因之外：
modbus?是OSI模型第七層上的應用層報文傳輸協(xié)議，OSI定義了開放系統(tǒng)的層次結構、層次之間的相互關系以及各層所包括的可能的任務，作為一個框架來協(xié)調和組織各層所提供的服務。
OSI參考模型并沒有提供一個可以實現(xiàn)的方法，而是描述了一些概念，用來協(xié)調進程間通信標準的制定。即OSI參考模型并不是一個標準，而是一個在制定標準時所使用的概念性框架。
modbus在OSI模型中，可以描述為下圖；
EIA485/TIA485就是RS485，隨著技術不斷發(fā)展，485標準目前是電信行業(yè)協(xié)會（TIA）維護，所以名稱為TIA-485，當然工程師及應用指南仍繼續(xù)用RS-485來稱呼也是沒問題的；
下面我們來介紹一些串行鏈路協(xié)議。
Modbus串行鏈路協(xié)議是一個主從模式（主機和從機），半雙工的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，485標準通常需要兩條線，在某一個確定時刻，有一個主機和從機進行通訊。
整體的結構圖如下所示；
這里我們還要明確幾點：
正如前面所提到的，modbus是半雙工傳輸?shù)?，即主機發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，是不能接收數(shù)據(jù)的，所以這里總共分為兩步來進行。
主機發(fā)送數(shù)據(jù)的方式有兩種，一個是 1對1，一個是1對多，也就是我們常說的廣播形式，所有從機都可以收到主機發(fā)送的數(shù)據(jù)；
1對1 只需要發(fā)送數(shù)據(jù)給特定地址的從機即可，廣播只需要把發(fā)送地址設置為0即可，所以廣播地址為0；
這里我們已經大致了解了主機和從機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，下面我們就再來介紹一下數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w格式；
先來說說Modbus有兩種傳輸模式，RTU傳輸模式和ASCII傳輸模式；
RTU傳輸：Remote Terminal Unit模式在Modbus中消息由十六進制組成，數(shù)據(jù)密度高，吞吐率高；
ASCII傳輸：消息由ASCII 字符發(fā)送效率不及RTU模式，無法使用RTU模式的定時管理時，使用ASCII模式；
比如：
0x12會被整合成兩個字符發(fā)送：0x31和0x32發(fā)送，因為?
0x31等于字符1；0x32等于字符2
下面我們會主要介紹modbus RTU。
在講幀格式之前，首先我們想象一下，人與人之間的對話，最基本單元是漢字，然后相互交流就用漢字組成的句子，比如下面的對話；
所以機器之間的通信也是類似的，我們可以把字節(jié)當作最基本的數(shù)據(jù)單元，然后由字節(jié)組成句子，也就是通信幀；
但是現(xiàn)在情況出現(xiàn)了變化，對話的人里，除了小樟，還有一個小紅，這時候，為了明確和誰說話，就需要在對話前面加上名字：
所以我們繼續(xù)回到modbus的數(shù)據(jù)幀格式，這里的協(xié)議定義了一個基礎通信層的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），具體如下圖所示；
所以這里基本分為四個部分，地址域，功能碼，數(shù)據(jù)，差錯校驗（CRC/LRC），統(tǒng)稱為ADU (Application Data Unit)，基本上進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都要滿足這個格式，作為一個完整的幀，對照前面老板的對話內容，我們這里可以簡單的理解一下：
下面我們再深入分析一下；
Modbus PDU(protocol data unit)格式被定義為一個功能代碼，后面跟著一組關聯(lián)的數(shù)據(jù)。
該數(shù)據(jù)的大小和內容由功能代碼定義，整個PDU（功能代碼和數(shù)據(jù)）的大小不能超過253個字節(jié)。
每個功能代碼都有一個特定的行為，從設備可以根據(jù)所需的應用程序行為靈活地實現(xiàn)這些行為。
PDU規(guī)范定義了數(shù)據(jù)訪問和操作的核心概念；但是，從設備可能會以規(guī)范中未明確定義的方式處理數(shù)據(jù)。
地址域占用一個字節(jié)，所以一般來說尋址范圍是0~255，一般在系統(tǒng)中用1~147，其他地址暫時保留，另外，同一個總線上的從機，每個地址必須唯一。
其中0是廣播地址；
下面是Freemodbus的一個從機初始化代碼，0x02就是這個從機的地址，
eMBInit(MB_RTU,?0x02,?3,?115200, MB_PAR_NONE);
功能碼占一個字節(jié)，所以范圍是?0~255，協(xié)議中規(guī)定了功能碼分為三類：公共功能碼，用戶自定義功能碼，保留功能碼。整體如下所示；
公共功能碼必須保證它的唯一性，這是由Modbus組織已經規(guī)定好，并且具有一致性測試的功能碼，所以在一定程度上，它保證了協(xié)議的可復用性。
由上表可知，公共功能碼分為四種，分別是：
bit；bit；下面是移植Freemodbus協(xié)議，從機上需要對這四個公共功能碼處理的回調函數(shù)：
//輸入寄存器量
eMBErrorCode?eMBRegInputCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs )
{
? eMBErrorCode ? ?eStatus = MB_ENOERR;
return?eStatus;
}
//保持寄存器量
eMBErrorCode
eMBRegHoldingCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs,
? ? ? ? ? ? ? ? ?eMBRegisterMode eMode )
{
? ? eMBErrorCode ? ?eStatus = MB_ENOERR;
? ??return?eStatus;
}
//線圈數(shù)量?
eMBErrorCode
eMBRegCoilsCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNCoils,
? ? ? ? ? ? ? ?eMBRegisterMode eMode )
{
? ? eMBErrorCode ? ?eStatus = MB_ENOERR;
? ??return?eStatus;
}
//離散輸入數(shù)量?
eMBErrorCode
eMBRegDiscreteCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNDiscrete )
{
? ? eMBErrorCode ? ?eStatus = MB_ENOERR;
? ??return?eStatus;
}
我們先看一下最底層modbus數(shù)據(jù)是如何發(fā)送的，沒錯，看到RS485和232，那我們自然想到了串口。
所以最根本的數(shù)據(jù)格式可以參考一下串口數(shù)據(jù)的定義，也就是我們說的起始位，數(shù)據(jù)位，校驗位，數(shù)據(jù)位；具體如下所示；
所以這里我們可以規(guī)定一下：
起始位+數(shù)據(jù)位+校驗位（可選）+ 停止位?等于一個字符；因此這里可以通過串口的波特率去計算出單個字符所需要的時間。
然后我們再看一下，modbus幀是如何發(fā)送的？
在RTU模式中，幀之間的間隔至少為3.5個字符的空閑時間間隔，以便于表示幀的開始和幀的結束，所以如果想自己整一個modbus rtu就需要一個定時器去結算空閑時間的長度。
整個數(shù)據(jù)必須以連續(xù)的字符流進行發(fā)送，如果兩個字符之間的長度等于1.5個字符時間，則認為幀消息不完整，則認為設備不該接收該消息，具體如下所示；
這里需要注意的是RTU需要定時器中斷的參與，所以，1.5字符時間和3.5字符時間的檢測，在串口通訊速率很高的時候，需要高頻率得進入中斷，這就會增加系統(tǒng)開銷。
所以通常在波特率低于19200的時候，可以嚴格遵守1.5和3.5字符時間的規(guī)定。
如果波特率大于19200的時候，需要滿足兩個固定時間即可：
本文簡單介紹了modbus rtu協(xié)議，包括串行鏈路通信，幀格式以及硬件鏈路層的消息格式，能力有限，本文難免存在錯誤和紕漏，請指正。
篇幅有限本文先到這里，下一篇介紹一下如何移植Freemodbus協(xié)議以及調試協(xié)議的過程。
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