Modbus库开发笔记之二：Modbus消息帧的生成

Posted 2020-09-27 木南创智

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。

1、Modbus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：

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	是	对可读写型的状态量进行读取
0x02	读离散输入	是	对只读型的状态量进行读取
0x03	读保持寄存器	是	对可读写型的寄存器量进行读取
0x04	读输入寄存器	是	对只读型的寄存器量进行读取
0x05	写单个线圈	是	对单个的读写型的状态量进行写入
0x06	写单个寄存器	是	对单个的读写型的寄存器量进行写入
0x0F	写多个线圈	是	对多个的读写型的状态量进行写入
0x10	写多个寄存器	是	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。

4、RTU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。

5、TCP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。