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(jí)別的協(xié)議。而我們?cè)趯W(xué)習(xí)13章做實(shí)用串口通信程序的時(shí)候，我們通過(guò)串口發(fā)給單片機(jī)三條指令，讓單片機(jī)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(shí)現(xiàn)更多的指令。而指令越來(lái)越多，帶來(lái)的后果就是非常雜亂無(wú)章，尤其是這個(gè)人喜歡寫成“buzz on”、“buzz off”，而另外一個(gè)人喜歡寫成“on buzz”、“off buzz”。導(dǎo)致不同開發(fā)人員寫出來(lái)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(huì)有聰明人提出更合理的解決方案，提出一些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)，今后我們的編程必須按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)，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(jí)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(gè)品牌）提出了全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議，就是 Modbus 協(xié)議。

Modbus 協(xié)議特點(diǎn)

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)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(shí)使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)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(jī)通信的時(shí)候，Modbus 協(xié)議規(guī)定每個(gè)控制器必須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按照地址發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，決定是否要產(chǎn)生動(dòng)作，產(chǎn)生何種動(dòng)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(jiǎn)單通信，每種設(shè)備（PLC、人機(jī)界面、控制面板、驅(qū)動(dòng)程序、輸入輸出設(shè)備等）都能使用 Modbus 協(xié)議來(lái)啟動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(gè)入門級(jí)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(guó)標(biāo)文件再進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。

RTU 協(xié)議幀數(shù)據(jù)

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(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)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(huì)用一種另外一種也就會(huì)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(shí)用串口通信程序時(shí)用的原理相同，一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。我們?cè)趯?shí)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(shí)超過(guò)了 30 ms 還沒(méi)有接收到下一個(gè)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(gè)字節(jié)通信時(shí)間以上。如果在一幀數(shù)據(jù)完成之前有超過(guò)3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間的停頓，接收設(shè)備將刷新當(dāng)前的消息并假定下一個(gè)字節(jié)是一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀的開始。同樣的，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間內(nèi)接著前邊一個(gè)數(shù)據(jù)開始，接收設(shè)備將會(huì)認(rèn)為它是前一幀數(shù)據(jù)的延續(xù)。這將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因此大家看 RTU 數(shù)據(jù)幀最后還有 16bit 的 CRC 校驗(yàn)。

起始位和結(jié)束符：圖18-5上代表的是一個(gè)數(shù)據(jù)幀，前后都至少有3.5個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔，起始位和結(jié)束符實(shí)際上沒(méi)有任何數(shù)據(jù)，T1-T2-T3-T4 代表的是時(shí)間間隔3.5個(gè)字節(jié)以上的時(shí)間，而真正有意義的第一個(gè)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(jī)通信的時(shí)候，數(shù)據(jù)那么多，我們依靠什么判斷這個(gè)數(shù)據(jù)幀是哪個(gè)設(shè)備的呢？沒(méi)錯(cuò)，就是依靠這個(gè)設(shè)備地址字節(jié)。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)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(duì)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(duì)這幀數(shù)據(jù)直接不予理會(huì)，如果與自己的地址相同，就要對(duì)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(gè)廣播命令，就是所有的從機(jī)設(shè)備都要執(zhí)行的指令。

功能代碼：在第二個(gè)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(guò)來(lái)查這個(gè)表格即可，如表18-1所示。

程序?qū)δ艽a的處理，就是來(lái)檢測(cè)這個(gè)字節(jié)的數(shù)值，然后根據(jù)其數(shù)值來(lái)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(gè) 8bit 的數(shù)據(jù)。這個(gè) n 值的到底是多少，是功能代碼來(lái)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(gè)例子，如果功能碼是 0x03，也就是讀保持寄存器，那么主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù) n 的組成部分就是：2個(gè)字節(jié)的寄存器起始地址，加2個(gè)字節(jié)的寄存器數(shù)量 N。從機(jī)數(shù)據(jù) n 的組成部分是：1個(gè)字節(jié)的字節(jié)數(shù)，因?yàn)槲覀兓貜?fù)的寄存器的值是2個(gè)字節(jié)，所以這個(gè)字節(jié)數(shù)也就是 2N 個(gè)，再加上 2N 個(gè)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(yàn)：CRC 校驗(yàn)是一種數(shù)據(jù)算法，是用來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)的。CRC 校驗(yàn)函數(shù)把一幀數(shù)據(jù)除最后兩個(gè)字節(jié)外，前邊所有的字節(jié)進(jìn)行特定的算法計(jì)算，計(jì)算完后生成了一個(gè) 16bit 的數(shù)據(jù)，作為 CRC 校驗(yàn)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(huì)把前邊的字節(jié)進(jìn)行 CRC 計(jì)算，計(jì)算完了再和發(fā)過(guò)來(lái)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(méi)有出錯(cuò)，如果比較不相同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤，這幀數(shù)據(jù)將被丟棄，就像沒(méi)收到一樣，而發(fā)送方會(huì)在得不到回應(yīng)后做相應(yīng)的處理錯(cuò)誤處理。

RTU 模式的每個(gè)字節(jié)的位是這樣分布的：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小有效位先發(fā)送、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（如果無(wú)校驗(yàn)則沒(méi)有這一位）、1位停止位（有校驗(yàn)位時(shí)）或者2個(gè)停止位（無(wú)校驗(yàn)位時(shí)）。