Modbus作爲開放式的工業通訊協議，在各種工業設備中應用極其廣泛。本人也使用Modbus通訊很多年了，或者用現成的，或者針對具體應用開發，一直以來都想要開發一個比較通用的協議棧能在後續的項目中複用，而不必每次都寫一遍。現在利用項目研發的機會，開發一個自己的Modbus協議棧。
Modbus有國際標準，也有國家標準，內容是完全一樣的。在標準鍾支持2種物理鏈路：一是基於RS485（RS232）的串行鏈路；二是基於以太網的TCP/IP鏈路。事實上，Modbus協議作爲一種應用層協議對物理鍵子並沒有特別的要求，光纖、無線等都是可以實現的。
本次主要是開發Modbus RTU和Modbus TCP兩種標準協議方式，支持常用的功能碼：
|
功能碼 |
名稱 |
實現 |
描述 |
|
0x01 |
讀線圈 |
是 |
對可讀寫型的狀態量進行讀取 |
|
0x02 |
讀離散輸入 |
是 |
對只讀型的狀態量進行讀取 |
|
0x03 |
讀保持寄存器 |
是 |
對可讀寫型的寄存器量進行讀取 |
|
0x04 |
讀輸入寄存器 |
是 |
對只讀型的寄存器量進行讀取 |
|
0x05 |
寫單個線圈 |
是 |
對單個的讀寫型的狀態量進行寫入 |
|
0x06 |
寫單個寄存器 |
是 |
對單個的讀寫型的寄存器量進行寫入 |
|
0x0F |
寫多個線圈 |
是 |
對多個的讀寫型的狀態量進行寫入 |
|
0x10 |
寫多個寄存器 |
是 |
對多個的讀寫型的寄存器量進行寫入 |
Modbus協議是一種主從（或者說客戶端/服務器）模式協議，有主站（客戶端）發起事務請求，從站（服務器）響應事務請求。一般我們想要訪問（或者說被訪問）的設備即爲從站（服務器），而我們通常去訪問別人的設備就是主站（客戶端）。通常在RTU時被稱爲主站和從站，而在TCP方式時被稱爲服務器和客戶端。這種稱呼只是叫法不同，但在本質上是沒有區別我的。後續這兩種稱呼我們會同時使用。在這次開發中，我們計劃同時實現主站和從站的功能。
1、標準流程
啓動MODBUS 事務處理的客戶機創建 MODBUS 應用數據單元。當從客戶機向服務器設備發送報文時，功能碼向服務器指示將執行哪種操作。
從客戶機向服務器設備發送的報文數據域包括附加信息，服務器使用這個信息執行功能碼定義的操作。如果在一個正確接收的 MODBUS ADU 中，不出現與請求 MODBUS 功能有關的差錯，那麼服務器至客戶機的響應數據域包括請求數據。
正常事務處理流程
如果出現與請求 MODBUS 功能有關的差錯，那麼域包括一個異常碼，服務器應用能夠使用這個域確定下一個執行的操作。當服務器對客戶機響應時，它使用功能碼域來指示正常（無差錯）響應或者出現某種差錯（稱爲異常響應）。對於一個正常響應來說，服務器僅對原始功能碼響應。
異常事務處理流程
2、操作設計
根據我們對Modbus標準事務流程的理解，我們來設計主站和從站的具體操作過程。
主站操作流程：
（1）、初始化主站，站標識符，定時器、
（2）、生成訪問命令
生成命令ADU分兩層實現：網絡層和鏈路層。
網絡層實現與具體鏈路無關的PDU（包括功能碼和數據，這裏的數據指傳送的數據，並非指變量的值，事實上數量和地址也包含在內）。對應的文件是mbpdu.c/.h，實現對pud單元的數據處理，包括命令和響應。
鏈路層實現ADU的封裝。對應的文件是mbrtu.c/.h(和mbtcp.c/.h和mbascii.c/.h)，實現ADU單元的封裝；同時作爲從站時，寫操作的響應也在此處封裝。
（3）、定時發送訪問命令，讀命令定是輪詢，寫命令具有更高的優先級。在有寫命令時暫停讀命令，
（4）、解析接收到的數據，進行相應操作
從站操作流程：
（1）、協議棧初始化：從站地址設置，創建數據存儲域，訪問控制
（2）、從站接收消息並解析
解析消息後操作數據（讀寫對應對象的值）
生成響應
（3）、生成響應數據並回復
3、命令格式
不同的功能碼具有不同的消息格式，我們只簡單說一下我們將要實現的以上8中功能碼的信息格式。
（1）功能碼0x01：讀線圈
在一個遠程設備中，使用該功能碼讀取線圈的1至2000個連續狀態。請求 PDU詳細說明了起始地址，即指定的第一個線圈地址和線圈編號。從零開始尋址線圈。因此尋址線圈 1-16 爲 0-15。
根據數據域的每個比特將響應報文中的線圈分成爲一個線圈。指示狀態爲 1= ON 和 0= OFF。第一個數據字節的 LSB（最低有效位）包括在詢問中尋址的輸出。其它線圈依次類推，一直到這個字節的高位端爲止，並在後續字節中從低位到高位的順序。
如果返回的輸出數量不是八的倍數，將用零填充最後數據字節中的剩餘比特（一直到字節的高位端）。字節數量域說明了數據的完整字節數。具體格式舉例如下：
（2）功能碼0x02：讀離散量輸入
在一個遠程設備中，使用該功能碼讀取離散量輸入的 1 至 2000 連續狀態。請求 PDU 詳細說明了起始地址，即指定的第一個輸入地址和輸入編號。從零開始尋址輸入。因此尋址輸入 1-16 爲 0-15。
根據數據域的每個比特將響應報文中的離散量輸入分成爲一個輸入。指示狀態爲1=ON 和0=OFF。第一個數據字節的 LSB（最低有效位）包括在詢問中尋址的輸入。其它輸入依次類推，一直到這個字節的高位端爲止，並在後續字節中從低位到高位的順序。
如果返回的輸入數量不是八的倍數，將用零填充最後數據字節中的剩餘比特（一直到字節的高位端）。字節數量域說明了數據的完整字節數。具體格式舉例如下：
事實上，功能碼0x01和0x02的數據格式是完全一樣的，操作方式也是完全一樣的，所不同只是操作的對象不同。
（3）功能碼0x03：讀保持寄存器
在一個遠程設備中，使用該功能碼讀取保持寄存器連續塊的內容。請求 PDU 說明了起始寄存器地址和寄存器數量。從零開始尋址寄存器。因此，尋址寄存器 1-16 爲 0-15。
將響應報文中的寄存器數據分成每個寄存器有兩字節，在每個字節中直接地調整二進制內容。
對於每個寄存器，第一個字節包括高位比特，並且第二個字節包括低位比特。具體的格式舉例如下：
響應信息的長度與具體讀取的數據量有關。
（4）功能碼0x04：讀輸入寄存器
在一個遠程設備中，使用該功能碼讀取 1 至大約 125 的連續輸入寄存器。請求 PDU 說明了起始地址和寄存器數量。從零開始尋址寄存器。因此，尋址輸入寄存器 1-16 爲 0-15。
將響應報文中的寄存器數據分成每個寄存器爲兩字節，在每個字節中直接地調整二進制內容。
對於每個寄存器，第一個字節包括高位比特，並且第二個字節包括低位比特。具體的格式舉例如下：
事實上，功能碼0x03和0x04的數據格式是完全一樣的，操作方式也是完全一樣的，所不同只是操作的對象不同。響應信息的長度與具體讀取的數據量有關。
（5）功能碼0x05：寫單個線圈
在一個遠程設備上，使用該功能碼寫單個輸出爲 ON 或 OFF。
請求數據域中的常量說明請求的ON/OFF狀態。十六進制值0xFF00請求輸出爲 ON。十六進制值0x0000 請求輸出爲OFF。其它所有值均是非法的，並且對輸出不起作用。
請求 PDU 說明了強制的線圈地址。從零開始尋址線圈。因此，尋址線圈1爲0。線圈值域的常量說明請求的 ON/OFF 狀態。十六進制值 0XFF00 請求線圈爲 ON。十六進制值 0X0000 請求線圈爲OFF。其它所有值均爲非法的，並且對線圈不起作用。
正常響應是請求的應答，在寫入線圈狀態之後返回這個正常響應。具體的格式舉例如下：
（6）功能碼0x06：寫單個寄存器
在一個遠程設備中，使用該功能碼寫單個保持寄存器。
請求 PDU 說明了被寫入寄存器的地址。從零開始尋址寄存器。因此，尋址寄存器1爲0。
正常響應是請求的應答，在寫入寄存器內容之後返回這個正常響應。具體的格式舉例如下：
（7）功能碼0x0F：寫多個線圈
在一個遠程設備中，使用該功能碼強制線圈序列中的每個線圈爲ON或OFF。請求PDU說明了強制的線圈參考。從零開始尋址線圈。因此，尋址線圈1爲0。
請求數據域的內容說明了被請求的ON/OFF狀態。域比特位置中的邏輯“1”請求相應輸出爲ON。域比特位置中的邏輯“0”請求相應輸出爲 OFF。
正常響應返回功能碼、起始地址和強制的線圈數量。具體的格式舉例如下：
（8）功能碼0x10：寫多個寄存器
在一個遠程設備中，使用該功能碼寫連續寄存器塊(1至約120個寄存器)。
在請求數據域中說明了請求寫入的值。每個寄存器將數據分成兩字節。
正常響應返回功能碼、起始地址和被寫入寄存器的數量。具體的格式舉例如下：
清楚了以上這些說明，我們就可以開始Modbus協議的開發之旅了。
源碼網址是：https://github.com/foxclever/Modbus
歡迎關注：
