前面我們已經對Modbus的基本事務作了說明，也據此設計了我們將要實現的主從站的操作流程。這其中與Modbus直接相關的就是Modbus訊息幀的生成。Modbus訊息幀也是實現Modbus通訊協議的根本。

1、Modbus訊息幀分析

MODBUS協議在不同的物理鏈路上的訊息幀有一些差異，但我們分析一下就會發現，在這些不同的訊息幀中具有一下相同的部分，這對我們實現統一的資料操作非常重要，具體描述如下：

（1）、簡單協議資料單元

MODBUS協議定義了一個與基礎通訊層無關的簡單協議資料單元（PDU）。簡單協議資料單元的結構如下：

PDU是一個與具體的傳輸網路無關的部分，包含功能碼和資料。對於特定匯流排或網路上的 MODBUS 協議只是在PDU的基礎上在應用資料單元（ADU）上引入一些附加域。

資料單元部分的開發是最基本的部分，主要是2各方面的類容：一是生成客戶端（主站）訪問伺服器（從站）的命令部分；二是生成伺服器（從站）響應客戶端（主站）回覆部分。

（2）、RTU的應用資料單元

對於在序列鏈路上執行的Modbus協議，其應用資料單元（ADU）是在PDU的基礎上，在前面加上地址域，後面加上資料校驗。格式如下圖所示：

地址域就是所訪問從站的地址，為一個8位無符號數，取值0-255，但0和255有固定含義不能使用。CRC校驗採用的是CRC16校驗方式。

（3）、TCP的應用資料單元

在乙太網鏈路上執行的Modbus協議，其應用資料單元（ADU）是在PDU的基礎上新增上MBAP報文頭形成的，具體格式如下圖：

對於MBAP 報文頭，包括下列域：

從上表中可知報文頭為 7 個位元組長：

事務處理識別符號：用於事務處理配對。在響應中，MODBUS 伺服器複製請求的事務處理識別符號。

協議識別符號：用於系統內的多路複用。通過值 0 識別 MODBUS 協議。

長度：長度域是下一個域的位元組數，包括單元識別符號和資料域。

單元識別符號：為了系統內路由，使用這個域。專門用於通過乙太網TCP-IP 網路和MODBUS序列鏈路之間的閘道器對MODBUS或MODBUS+序列鏈路從站的通訊。說的簡單點就是序列鏈路中的地址域。MODBUS客戶機在請求中設定這個域，在響應中伺服器必須利用相同的值返回這個域。

2、資料幀的具體組成分析

從以上對簡單協議基本資料元、RTU應用資料單元和TCP應用資料單元報文格式的分析，我們發現對於基本資料單元部分已一致的，所以我們可以考慮來分層封裝協議操作部分：

最開始實現Modbus基本資料單元，這是資料公用部分與具體的應用無關，只需要封裝一次，對於這部分的開發只需要按照Modbus的標準協議來開發就好，本次我們計劃實現的功能有8個：

這8個也是Modbus協議所定義的最主要的功能，現在對這幾種功能碼的報文格式描述如下：

（1）讀線圈0x01

讀線圈就是都一種可以寫的開關量，因為Modbus協議起源於PLC應用，而線圈是對PLC的DO輸出的稱呼，一般適用於主站對從站下達操作命令。讀這種具有讀寫功能的狀態量的資料格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（2）讀離散輸入0x02

讀狀態輸入是讀取一種只讀開關量訊號，對應於PLC中的數字輸入量。讀取這種只讀型開關輸入量的格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（3）讀保持暫存器0x03

保持暫存器就是指可以讀寫的16位資料，通過單個或多個保持暫存器可以用來表示各種資料，如8位整數、16為整數、32位整數、64位整數以及單雙精度浮點數等。讀取保持暫存器的報文格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（4）讀輸入暫存器0x04

輸入暫存器是一種只讀形式的16位資料。通過單個或多個輸入暫存器可以表示8位整數、16為整數、32位整數、64位整數以及單雙精度浮點數等。讀取輸入暫存器的報文格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（5）寫單個線圈0x05

寫單個線圈量就是對單個的可讀寫的開關量進行操作，但是其並非是直接寫“0”或者“1”，而是在需要寫“1”時傳送0xFF00；而在需要寫“0”時傳送0x0000，其具體的報文格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+輸出地址+輸出值。命令的具體內容與讀操作有區別但，格式卻是完全一樣，在程式設計時實際讀和寫可以封裝在一起。

（6）寫單個暫存器0x06

寫單個暫存器就是對單個的保持暫存器進行操作，資料的格式依然是一樣的，實際應用中只適用於對16位整型資料的操作，對於浮點數等則不可以。

其下發的命令格式為：域名+功能碼+輸出地址+輸出值。命令的具體內容與讀操作有區別但，格式卻是完全一樣，在程式設計時實際讀和寫可以封裝在一起。

（7）寫多個線圈0x0F

寫多個線圈的操作物件與寫單個線圈是完全一樣的，不同的是數量和操作值，特別是值，寫“1”就是“1”，寫“0”就是 “0”，這是與寫單個線圈的區別。

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+輸出數量+位元組數+輸出值。命令報文與前面的幾種讀寫操作有較大的區別，必須要單獨處理。

（8）寫多個暫存器0x10

寫多個暫存器的就是對多個可讀寫暫存器同時進行操作，資料報文的格式與寫多個線圈是一致的。

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+輸出數量+位元組數+輸出值。

3、基本資料單元的程式設計

經過上面的分析，我們發現不論是在什麼樣的物理鏈路上實現的應用資料，器基本資料段都是相同的。其實加上域名段的格式也是相同的，所以我們就將

域名+PDU一起作為最基本的資料單元來實現。

對於基本資料單元的實現由分為2種情況：一是作為主站（客戶端）時，對從站（伺服器）的下發命令；二是作為從站（伺服器）時，對主站（客戶端）命令的響應。所以我們將這兩種情況分別封裝為2個基礎函式：

（1）、作為RTU主站（TCP客戶端）時，生成讀寫RTU從站（TCP伺服器）物件的命令：

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

引數分別是PDU單元的基本資訊，寫物件的對應資料，以及生成的命令位元組。而返回值則是生成的命令的長度。

（2）、作為從站(伺服器)時，生成主站讀訪問的響應。對於響應因為寫操作的響應實際上就是複製主站（客戶端）的命令的一部分，所以我們實際需要生成的響應是包括0x01、0x02、0x03、0x04功能碼的情形。

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

引數分別是接收到的資訊，讀取的物件的資料，以及返回的響應訊息。而返回值則是返回的響應訊息的長度。

4、RTU應用資料單元的程式設計

對於RTU應用資料單元來說，其報文格式就是：“域名+PDU+CRC”，而域名+PDU我們在上一節中已經實現了，所以要實現RTU的資料單元實際上我們只需要加上CRC校驗就已經完成了。

對於RTU資料單元的實現由分為2種情況：一是作為主站時，對從站的下發命令；二是作為從站時，對主站命令的響應。所以我們將這兩種情況分別封裝為2個基礎函式：

（1）、作為RTU主站時，生成讀寫RTU從站物件的命令：

/*生成讀寫從站資料物件的命令,命令長度包括2個校驗位元組*/

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

引數分別是從站基本資訊，下發的資料列表，以及最終生成的命令陣列。返回值是是命令的長度。

（2）、作為從站時，生成主站讀訪問的響應：

/*生成從站應答主站的響應*/

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

引數分別是接收到的資訊，返回的資料列表，生成的響應資訊列表。返回值是響應資訊列表的長度。

5、TCP應用資料單元的程式設計

而對於TCP應用資料單元來說，與RTU類式，起報文格式是：“MBAP頭+PDU”，而PDU單元就是前面定義的，所以只需要加上MBAP頭部就可以了，事實上MBAP頭部的實現格式是固定的。

對於TCP應用資料單元的實現同樣分為2中情況：一是作為客戶端時，對伺服器的下發命令；二是作為伺服器時，對客戶端命令的響應。所以我們將這兩種情況分別封裝為2個基礎函式：

（1）、作為TCP客戶端時，生成讀寫TCP伺服器物件的命令：

/*生成讀寫伺服器物件的命令*/

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

（2）、作為(伺服器時，生成客戶端讀寫訪問的響應：

/*合成對伺服器訪問的響應,返回值為命令長度*/

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

6、結束語

其實到這裡我們對Modbus基本協議已經基本實現，甚至使用這些基本操作也能實現Modbus的通訊。事實上很多人在應用寫的Modbus通訊協議比這還要簡單，也能實現部分的Modbus通訊功能。當然這不是我們的目標，否則就不需要專門開發庫了，我們要進一步封裝，讓其更通用也更易用才是我們需要的。

原始碼網址是：https://github.com/foxclever/Modbus

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