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  • Modbus库开发笔记之二:Modbus消息帧的生成

    前面我们已经对Modbus的基本事务作了说明,也据此设计了我们将要实现的主从站的操作流程。这其中与Modbus直接相关的就是Modbus消息帧的生成。Modbus消息帧也是实现Modbus通讯协议的根本。

    1Modbus消息帧分析

    MODBUS协议在不同的物理链路上的消息帧有一些差异,但我们分析一下就会发现,在这些不同的消息帧中具有一下相同的部分,这对我们实现统一的数据操作非常重要,具体描述如下:

    1)、简单协议数据单元

    MODBUS协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)。简单协议数据单元的结构如下:

    PDU是一个与具体的传输网络无关的部分,包含功能码和数据。对于特定总线或网络上的 MODBUS 协议只是在PDU的基础上在应用数据单元(ADU)上引入一些附加域。

    数据单元部分的开发是最基本的部分,主要是2各方面的类容:一是生成客户端(主站)访问服务器(从站)的命令部分;二是生成服务器(从站)响应客户端(主站)回复部分。

    2)、RTU的应用数据单元

    对于在串行链路上运行的Modbus协议,其应用数据单元(ADU)是在PDU的基础上,在前面加上地址域,后面加上数据校验。格式如下图所示:

     

    地址域就是所访问从站的地址,为一个8位无符号数,取值0-255,但0和255有固定含义不能使用。CRC校验采用的是CRC16校验方式。

    3)、TCP的应用数据单元

    在以太网链路上运行的Modbus协议,其应用数据单元(ADU)是在PDU的基础上添加上MBAP报文头形成的,具体格式如下图:

     

    对于MBAP 报文头,包括下列域:

    长度

    描述

    客户机

    服务器

    事务元标识符

    2 个字节

    MODBUS 请求/响应事务处理的识别码

    客户机启动

    服务器从接收的请求中重新复制

    协议标识符

    2 个字节

    0=MODBUS 协议

    客户机启动

    服务器从接收的请求中重新复制

    长度

    2 个字节

    以下字节的数量

    客户机启动(请求)

    服务器(响应)启动

    单元标识符

    1 个字节

    串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别码

    客户机启动

    服务器从接收的请求中重新复制

    从上表中可知报文头为 7 个字节长:

    事务处理标识符:用于事务处理配对。在响应中,MODBUS 服务器复制请求的事务处理标识符。
    协议标识符:用于系统内的多路复用。通过值 0 识别 MODBUS 协议。

    长度:长度域是下一个域的字节数,包括单元标识符和数据域。

    单元标识符:为了系统内路由,使用这个域。专门用于通过以太网TCP-IP 网络和MODBUS串行链路之间的网关对MODBUS或MODBUS+串行链路从站的通信。说的简单点就是串行链路中的地址域。MODBUS客户机在请求中设置这个域,在响应中服务器必须利用相同的值返回这个域。

    2、数据帧的具体组成分析

    从以上对简单协议基本数据元、RTU应用数据单元和TCP应用数据单元报文格式的分析,我们发现对于基本数据单元部分已一致的,所以我们可以考虑来分层封装协议操作部分:

     

    最开始实现Modbus基本数据单元,这是数据公用部分与具体的应用无关,只需要封装一次,对于这部分的开发只需要按照Modbus的标准协议来开发就好,本次我们计划实现的功能有8个:

    功能码

    名称

    实现

    描述

    0x01

    读线圈

    对可读写型的状态量进行读取

    0x02

    读离散输入

    对只读型的状态量进行读取

    0x03

    读保持寄存器

    对可读写型的寄存器量进行读取

    0x04

    读输入寄存器

    对只读型的寄存器量进行读取

    0x05

    写单个线圈

    对单个的读写型的状态量进行写入

    0x06

    写单个寄存器

    对单个的读写型的寄存器量进行写入

    0x0F

    写多个线圈

    对多个的读写型的状态量进行写入

    0x10

    写多个寄存器

    对多个的读写型的寄存器量进行写入

    这8个也是Modbus协议所定义的最主要的功能,现在对这几种功能码的报文格式描述如下:

    1)读线圈0x01

    读线圈就是都一种可以写的开关量,因为Modbus协议起源于PLC应用,而线圈是对PLC的DO输出的称呼,一般适用于主站对从站下达操作命令。读这种具有读写功能的状态量的数据格式如下:

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+起始地址+数量。

    2)读离散输入0x02

    读状态输入是读取一种只读开关量信号,对应于PLC中的数字输入量。读取这种只读型开关输入量的格式如下:

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+起始地址+数量。

    3)读保持寄存器0x03

    保持寄存器就是指可以读写的16位数据,通过单个或多个保持寄存器可以用来表示各种数据,如8位整数、16为整数、32位整数、64位整数以及单双精度浮点数等。读取保持寄存器的报文格式如下:

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+起始地址+数量。

    4)读输入寄存器0x04

    输入寄存器是一种只读形式的16位数据。通过单个或多个输入寄存器可以表示8位整数、16为整数、32位整数、64位整数以及单双精度浮点数等。读取输入寄存器的报文格式如下:

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+起始地址+数量。

    5)写单个线圈0x05

    写单个线圈量就是对单个的可读写的开关量进行操作,但是其并非是直接写“0”或者“1”,而是在需要写“1”时发送0xFF00;而在需要写“0”时发送0x0000,其具体的报文格式如下:

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+输出地址+输出值。命令的具体内容与读操作有区别但,格式却是完全一样,在编程时实际读和写可以封装在一起。

    6)写单个寄存器0x06

    写单个寄存器就是对单个的保持寄存器进行操作,数据的格式依然是一样的,实际应用中只适用于对16位整型数据的操作,对于浮点数等则不可以。

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+输出地址+输出值。命令的具体内容与读操作有区别但,格式却是完全一样,在编程时实际读和写可以封装在一起。

    7)写多个线圈0x0F

    写多个线圈的操作对象与写单个线圈是完全一样的,不同的是数量和操作值,特别是值,写“1”就是“1”,写“0”就是 “0”,这是与写单个线圈的区别。

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+起始地址+输出数量+字节数+输出值。命令报文与前面的几种读写操作有较大的区别,必须要单独处理。

    8)写多个寄存器0x10

    写多个寄存器的就是对多个可读写寄存器同时进行操作,数据报文的格式与写多个线圈是一致的。

     

    其下发的命令格式为:域名+功能码+起始地址+输出数量+字节数+输出值。

    3、基本数据单元的编程

    经过上面的分析,我们发现不论是在什么样的物理链路上实现的应用数据,器基本数据段都是相同的。其实加上域名段的格式也是相同的,所以我们就将

    域名+PDU一起作为最基本的数据单元来实现。

    对于基本数据单元的实现由分为2种情况:一是作为主站(客户端)时,对从站(服务器)的下发命令;二是作为从站(服务器)时,对主站(客户端)命令的响应。所以我们将这两种情况分别封装为2个基础函数:

    (1)、作为RTU主站(TCP客户端)时,生成读写RTU从站(TCP服务器)对象的命令:

    uint16_t GenerateReadWriteCommand(ObjAccessInfo objInfo,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *commandBytes)

    参数分别是PDU单元的基本信息,写对象的对应数据,以及生成的命令字节。而返回值则是生成的命令的长度。

    (2)、作为从站(服务器)时,生成主站读访问的响应。对于响应因为写操作的响应实际上就是复制主站(客户端)的命令的一部分,所以我们实际需要生成的响应是包括0x01、0x02、0x03、0x04功能码的情形。

    uint16_t GenerateMasterAccessRespond(uint8_t *receivedMessage,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *respondBytes)

    参数分别是接收到的信息,读取的对象的数据,以及返回的响应消息。而返回值则是返回的响应消息的长度。

    4RTU应用数据单元的编程

    对于RTU应用数据单元来说,其报文格式就是:“域名+PDU+CRC”,而域名+PDU我们在上一节中已经实现了,所以要实现RTU的数据单元实际上我们只需要加上CRC校验就已经完成了。

    对于RTU数据单元的实现由分为2种情况:一是作为主站时,对从站的下发命令;二是作为从站时,对主站命令的响应。所以我们将这两种情况分别封装为2个基础函数:

    (1)、作为RTU主站时,生成读写RTU从站对象的命令:

    /*生成读写从站数据对象的命令,命令长度包括2个校验字节*/

    uint16_t SyntheticReadWriteSlaveCommand(ObjAccessInfo slaveInfo,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *commandBytes)

    参数分别是从站基本信息,下发的数据列表,以及最终生成的命令数组。返回值是是命令的长度。

    (2)、作为从站时,生成主站读访问的响应:

    /*生成从站应答主站的响应*/

    uint16_t SyntheticSlaveAccessRespond(uint8_t *receivedMessage,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *respondBytes)

    参数分别是接收到的信息,返回的数据列表,生成的响应信息列表。返回值是响应信息列表的长度。

    5TCP应用数据单元的编程

    而对于TCP应用数据单元来说,与RTU类式,起报文格式是:“MBAP头+PDU”,而PDU单元就是前面定义的,所以只需要加上MBAP头部就可以了,事实上MBAP头部的实现格式是固定的。

    对于TCP应用数据单元的实现同样分为2中情况:一是作为客户端时,对服务器的下发命令;二是作为服务器时,对客户端命令的响应。所以我们将这两种情况分别封装为2个基础函数:

    (1)、作为TCP客户端时,生成读写TCP服务器对象的命令:

    /*生成读写服务器对象的命令*/

    uint16_t SyntheticReadWriteTCPServerCommand(ObjAccessInfo objInfo,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *commandBytes)

    (2)、作为(服务器时,生成客户端读写访问的响应:

    /*合成对服务器访问的响应,返回值为命令长度*/

    uint16_t SyntheticServerAccessRespond(uint8_t *receivedMessage,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *respondBytes)

    6、结束语

    其实到这里我们对Modbus基本协议已经基本实现,甚至使用这些基本操作也能实现Modbus的通讯。事实上很多人在应用写的Modbus通讯协议比这还要简单,也能实现部分的Modbus通讯功能。当然这不是我们的目标,否则就不需要专门开发库了,我们要进一步封装,让其更通用也更易用才是我们需要的。

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