我們前邊學(xué)習(xí) UART、I2C、SPI 這些通信協(xié)議，都是最底層的協(xié)議，是“位”級別的協(xié)議。而我們在學(xué)習(xí)13章做實用串口通信程序的時候，我們通過串口發(fā)給單片機三條指令，讓單片機做了三件不同的事情，分別是“buzz on”、“buzz off”和“showstr”。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，我們希望可以實現(xiàn)更多的指令。而指令越來越多，帶來的后果就是非常雜亂無章，尤其是這個人喜歡寫成“buzz on”、“buzz off”，而另外一個人喜歡寫成“on buzz”、“off buzz”。導(dǎo)致不同開發(fā)人員寫出來的程序代碼不兼容，不同廠家的產(chǎn)品不能掛到一條總線上通信。
隨著這種矛盾的日益嚴(yán)重，就會有聰明人提出更合理的解決方案，提出一些標(biāo)準(zhǔn)來，今后我們的編程必須按照這個標(biāo)準(zhǔn)來，這種標(biāo)準(zhǔn)也是一種通信協(xié)議，但是和 UART、I2C、SPI通信協(xié)議不同的是，這種通信協(xié)議是字節(jié)級別的，叫做應(yīng)用層通信協(xié)議。在1979年由 Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）提出了全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場總線的協(xié)議，就是 Modbus 協(xié)議。
Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信，已經(jīng)成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。這種協(xié)議定義了一種控制器能夠認(rèn)識使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤記錄，它制定了通信數(shù)據(jù)的格局和內(nèi)容的公共格式。
在進(jìn)行多機通信的時候，Modbus 協(xié)議規(guī)定每個控制器必須要知道它們的設(shè)備地址，識別按照地址發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，決定是否要產(chǎn)生動作，產(chǎn)生何種動作，如果要回應(yīng)，控制器將生成的反饋信息用 Modbus 協(xié)議發(fā)出。
Modbus 協(xié)議允許在各種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行簡單通信，每種設(shè)備（PLC、人機界面、控制面板、驅(qū)動程序、輸入輸出設(shè)備等）都能使用 Modbus 協(xié)議來啟動遠(yuǎn)程操作，一些網(wǎng)關(guān)允許在幾種使用 Modbus 協(xié)議的總線或網(wǎng)絡(luò)之間的通信，如圖18-4所示。
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圖18-4 Modbus 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實例
Modbus 協(xié)議的整體架構(gòu)和格式比較復(fù)雜和龐大，在我們的課程里，我們重點介紹數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信控制方式，作為一個入門級別的了解。如果大家要詳細(xì)了解，或者使用 Modbus 開發(fā)相關(guān)設(shè)備，可以查閱相關(guān)的國標(biāo)文件再進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。
Modbus 有兩種通信傳輸方式，一種是 ASCII 模式，一種是 RTU 模式。由于 ASCII 模式的數(shù)據(jù)字節(jié)是 7bit 數(shù)據(jù)位，51單片機無法實現(xiàn)，而且實際應(yīng)用的也比較少，所以這里我們只用 RTU 模式。兩種模式相似，會用一種另外一種也就會了。一條典型的 RTU 數(shù)據(jù)幀如圖18-5所示。
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圖18-5 RTU 數(shù)據(jù)幀
與之前我們講解實用串口通信程序時用的原理相同，一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。我們在實用串口通信程序中采用的方法是定義 30 ms，如果數(shù)據(jù)接收時超過了 30 ms 還沒有接收到下一個字節(jié)，我們就認(rèn)為這次的數(shù)據(jù)結(jié)束。而 Modbus 的 RTU 模式規(guī)定不同數(shù)據(jù)幀之間的間隔是3.5個字節(jié)通信時間以上。如果在一幀數(shù)據(jù)完成之前有超過3.5個字節(jié)時間的停頓，接收設(shè)備將刷新當(dāng)前的消息并假定下一個字節(jié)是一個新的數(shù)據(jù)幀的開始。同樣的，如果一個新消息在小于3.5個字節(jié)時間內(nèi)接著前邊一個數(shù)據(jù)開始，接收設(shè)備將會認(rèn)為它是前一幀數(shù)據(jù)的延續(xù)。這將會導(dǎo)致一個錯誤，因此大家看 RTU 數(shù)據(jù)幀最后還有 16bit 的 CRC 校驗。
起始位和結(jié)束符：圖18-5上代表的是一個數(shù)據(jù)幀，前后都至少有3.5個字節(jié)的時間間隔，起始位和結(jié)束符實際上沒有任何數(shù)據(jù)，T1-T2-T3-T4 代表的是時間間隔3.5個字節(jié)以上的時間，而真正有意義的第一個字節(jié)是設(shè)備地址。
設(shè)備地址：很多同學(xué)不理解，在多機通信的時候，數(shù)據(jù)那么多，我們依靠什么判斷這個數(shù)據(jù)幀是哪個設(shè)備的呢？沒錯，就是依靠這個設(shè)備地址字節(jié)。每個設(shè)備都有一個自己的地址，當(dāng)設(shè)備接收到一幀數(shù)據(jù)后，程序首先對設(shè)備地址字節(jié)進(jìn)行判斷比較，如果與自己的地址不同，則對這幀數(shù)據(jù)直接不予理會，如果與自己的地址相同，就要對這幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照之后的功能碼執(zhí)行相應(yīng)的功能。如果地址是 0x00，則認(rèn)為是一個廣播命令，就是所有的從機設(shè)備都要執(zhí)行的指令。
功能代碼：在第二個字節(jié)功能代碼字節(jié)中，Modbus 規(guī)定了部分功能代碼，此外也保留了一部分功能代碼作為備用或者用戶自定義，這些功能碼大家不需要去記憶，甚至都不用去看，直到你用到的那天再過來查這個表格即可，如表18-1所示。
| 功能碼 | 名稱 | 作用 |
|---|---|---|
| 01 | 讀取線圈狀態(tài) | 取得一組邏輯線圈的當(dāng)前狀態(tài)(ON/OFF) |
| 02 | 讀取輸入狀態(tài) | 取得一組開關(guān)輸入的當(dāng)前狀態(tài)(ON/OFF) |
| 03 | 讀取保持寄存器 | 在一個或多個保持寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值 |
| 04 | 讀取輸入寄存器 | 在一個或多個輸入寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值 |
| 05 | 強置單線圈 | 強置一個邏輯線圈的通斷狀態(tài) |
| 06 | 預(yù)置單寄存器 | 把具體二進(jìn)值裝入一個保持寄存器 |
| 07 | 讀取異常狀態(tài) |
取得?8?個內(nèi)部線圈的通斷狀態(tài)，這?8?個線圈的地址由 控制器決定，用戶邏輯可以將這些線圈定義，以說明 從機狀態(tài)，短報文適宜于迅速讀取狀態(tài) |
| 08 | 回送診斷校驗 | 把診斷校驗報文送從機，以對通信處理進(jìn)行評鑒 |
| 09 | 編程(只用于?484) | 使主機模擬編程器作用，修改?PC?從機邏輯 |
| 10 | 控詢(只用于?484) |
可使主機與一臺正在執(zhí)行長程序任務(wù)從機通信，探詢 該從機是否已完成其操作任務(wù)，僅在含有功能碼?9 的報文發(fā)送后，本功能碼才發(fā)送 |
| 11 | 讀取事件計數(shù) |
可使主機發(fā)出單詢問，并隨即判定操作是否成功，尤 其是該命令或其它應(yīng)答產(chǎn)生通信錯誤時 |
| 12 | 讀取通信事件記錄 |
可使主機檢索每臺從機的?ModBus?事務(wù)處理通信事件 記錄。如果某項事務(wù)處理完成，記錄會給出有關(guān)錯誤 |
| 13 | 編程(184/384?484?584?) | 可使主機模擬編程器功能修改?PC?從機邏輯 |
| 14 | 探詢(184/384?484?584) |
可使主機與正在執(zhí)行任務(wù)的從機通信，定期控詢該從 機是否已完成其程序操作，僅在含有功能?13?的報文 發(fā)送后，本功能碼才得發(fā)送 |
| 15 | 強置多線圈 | 強置一串連續(xù)邏輯線圈的通斷 |
| 16 | 預(yù)置多寄存器 | 把具體的二進(jìn)制值裝入一串連續(xù)的保持寄存器 |
| 17 | 報告從機標(biāo)識 |
可使主機判斷編址從機的類型及該從機運行指示燈 的狀態(tài) |
| 18 | 884?和?MICRO?84 | 可使主機模擬編程功能，修改?PC?狀態(tài)邏輯 |
| 19 | 重置通信鏈路 |
發(fā)生非可修改錯誤后，是從機復(fù)位于已知狀態(tài)，可重 置順序字節(jié) |
| 20 | 讀取通用參數(shù)(584L) | 顯示擴(kuò)展存儲器文件中的數(shù)據(jù)信息 |
| 21 | 寫入通用參數(shù)(584L) | 把通用參數(shù)寫入擴(kuò)展存儲文件，或修改 |
| 22~64 | 保留作擴(kuò)展功能備用 | ? |
| 65~72 | 保留以備用戶功能所用 | 留作用戶功能的擴(kuò)展編碼 |
| 73~119 | 非法功能 | ? |
| 120~127 | 保留 | 留作內(nèi)部作用 |
| 128~255 | 保留 | 用于異常應(yīng)答 |
程序?qū)δ艽a的處理，就是來檢測這個字節(jié)的數(shù)值，然后根據(jù)其數(shù)值來做相應(yīng)的功能處理。
數(shù)據(jù)：跟在功能代碼后邊的是 n 個 8bit 的數(shù)據(jù)。這個 n 值的到底是多少，是功能代碼來確定的，不同的功能代碼后邊跟的數(shù)據(jù)數(shù)量不同。舉個例子，如果功能碼是 0x03，也就是讀保持寄存器，那么主機發(fā)送數(shù)據(jù) n 的組成部分就是：2個字節(jié)的寄存器起始地址，加2個字節(jié)的寄存器數(shù)量 N。從機數(shù)據(jù) n 的組成部分是：1個字節(jié)的字節(jié)數(shù)，因為我們回復(fù)的寄存器的值是2個字節(jié)，所以這個字節(jié)數(shù)也就是 2N 個，再加上 2N 個寄存器的值，如圖18-6所示。
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圖18-6 讀保持寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
CRC 校驗：CRC 校驗是一種數(shù)據(jù)算法，是用來校驗數(shù)據(jù)對錯的。CRC 校驗函數(shù)把一幀數(shù)據(jù)除最后兩個字節(jié)外，前邊所有的字節(jié)進(jìn)行特定的算法計算，計算完后生成了一個 16bit 的數(shù)據(jù)，作為 CRC 校驗碼，添加在一幀數(shù)據(jù)的最后。接收方接收到數(shù)據(jù)后，同樣會把前邊的字節(jié)進(jìn)行 CRC 計算，計算完了再和發(fā)過來的 16bit 的 CRC 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相同則認(rèn)為數(shù)據(jù)正常，沒有出錯，如果比較不相同，則說明數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生了錯誤，這幀數(shù)據(jù)將被丟棄，就像沒收到一樣，而發(fā)送方會在得不到回應(yīng)后做相應(yīng)的處理錯誤處理。
RTU 模式的每個字節(jié)的位是這樣分布的：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位，最小有效位先發(fā)送、1個奇偶校驗位（如果無校驗則沒有這一位）、1位停止位（有校驗位時）或者2個停止位（無校驗位時）。
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