1.背景
1.1.范圍
MODBUS 是 OSI 模型第 7 層上的應用層報文傳輸協議， 它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。
自從 1979 年出現工業串行鏈路的事實標准以來， MODBUS 使成千上萬的自動化設備能夠通信。
目前，繼續增加對簡單而雅觀的 MODBUS 結構支持。互聯網組織能夠使 TCP/IP 棧上的保留系統端口 502 訪問 MODBUS。
MODBUS 是一個請求/應答協議，並且提供功能碼規定的服務。MODBUS 功能碼是 MODBUS請求/應答 PDU 的元素。
1.2.縮略語
ADU 應用數據單元
HDLC 高級數據鏈路控制
HMI 人機界面
IETF 因特網工程工作組
I/O 輸入/輸出設備
IP 互連網協議
MAC 介質訪問控制
MB MODBUS 協議
MBAP MODBUS應用協議
PDU 協議數據單元
PLC 可編程邏輯控制器
TCP 傳輸控制協議
1.3.MODBUS體系結構實例
每種設備（PLC、HMI、控制面板、驅動程序、動作控制、輸入/輸出設備）都能使用 MODBUS協議來啟動遠程操作。
在基於串行鏈路和以太 TCP/IP 網絡的 MODBUS 上可以進行相同通信。
一些網關允許在幾種使用 MODBUS 協議的總線或網絡之間進行通信。
1.4.協議描述
MODBUS 協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDU） 。特定總線或網絡上的 MODBUS 協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域。
啟動 MODBUS 事務處理的客戶機創建 MODBUS 應用數據單元。 功能碼向服務器指示將執行哪種操作。
MODBUS 協議建立了客戶機啟動的請求格式。
用一個字節編碼 MODBUS 數據單元的功能碼域。有效的碼字范圍是十進制 1-255（128-255 為異常響應保留） 。當從客戶機向服務器設備發送報文時，功能碼域通知服務器執行哪種操作。
向一些功能碼加入子功能碼來定義多項操作。
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。這個域還包括離散項目和寄存器地址、處理的項目數量以及域中的實際數據字節數。
在某種請求中，數據域可以是不存在的（0 長度） ，在此情況下服務器不需要任何附加信息。功能碼僅說明操作。
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，那么服務器至客戶機的響應數據域包括請求數據。如果出現與請求 MODBUS 功能有關的差錯，那么域包括一個異常碼，服務器應用能夠使用這個域確定下一個執行的操作。
例如， 客戶機能夠讀一組離散量輸出或輸入的開/關狀態， 或者客戶機能夠讀/寫一組寄存器的數據內容。
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（稱為異常響應） 。對於一個正常響應來說，服務器僅對原始功能碼響應。
對於異常響應，服務器返回一個與原始功能碼等同的碼，設置該原始功能碼的最高有效位為邏輯 1。
注釋：需要管理超時，以便明確地等待可能不會出現的應答。
串行鏈路上第一個MODBUS執行的長度約束限制了MODBUS PDU大小 （最大RS485ADU=256字節） 。
因此， 對串行鏈路通信來說，MODBUS PDU=256-服務器地址（1 字節）-CRC（2 字節）＝253字節。
從而：
RS232 / RS485 ADU = 253 字節+服務器地址(1 byte) + CRC (2 字節) = 256 字節。
TCP MODBUS ADU = 249 字節+ MBAP (7 字節) = 256 字節。
MODBUS 協議定義了三種 PDU。它們是：
MODBUS 請求 ，modbus_request
MODBUS 響應 ，modbus_reply
MODBUS 異常響應 ，modbus_reply_exception
1.5.數據模型
MODBUS 以一系列具有不同特征表格上的數據模型為基礎。四個基本表格為：
| 基本表格 |
對象類型 |
訪問類型 |
內容 |
| 離散量輸入 |
單個比特 |
只讀 |
I/O 系統提供這種類型數據 |
| 線圈 |
單個比特 |
讀寫 |
通過應用程序改變這種類型數據 |
| 輸入寄存器 |
16-比特字 |
只讀 |
I/O 系統提供這種類型數據 |
| 保持寄存器 |
16-比特字 |
讀寫 |
通過應用程序改變這種類型數據 |
1.6.設計背景
因為公司發展需要需要研發一個基於ARM9芯片的中央控制器（如下：設計架構圖和硬件設計圖），可以用來控制前端設備，並與雲平台和用戶進行交互。其中一個重要的功能就是要求設備設備能采集前端設備（表示在控制器之前的所有設計，就是前段設備）的信息，同時也可以對前端設備采集來的信息進行反饋控制。經過市場研究和調查，現在采集設備485通信用的比較多，而且大多設備都支持MODBUS通信協議，因此開發一個Modbus協議庫，越來越有必要。
設計架構圖：
硬件結構設計：
在我們進行軟件設計的同時，也同步進行硬件的設計，但是一些前段設備，我們都是從外面的產家進行購買的，包括氣體傳感器（如CO、CH4等）、電量采集、流量采集（水流、氣體等）的采集，控制一類的主要有燈光控制、門禁、水泵等。同時，如果有相關的同行，或者產家也可以和我聯系，我們正在進行采購測試的，如果合適的話，我們也可以建立長期的合作伙伴。
2.功能碼
2.1.功能碼分類
有三類 MODBUS 功能碼。它們是：
公共功能碼
- 是較好地被定義的功能碼，
- 保證是唯一的，
- MODBUS 組織可改變的，
- 公開證明的，
- 具有可用的一致性測試，
- MB IETF RFC 中證明的，
- 包含已被定義的公共指配功能碼和未來使用的未指配保留供功能碼。
用戶定義功能碼
- 有兩個用戶定義功能碼的定義范圍，即 65 至 72 和十進制 100 至 110。
- 用戶沒有 MODBUS 組織的任何批准就可以選擇和實現一個功能碼
- 不能保證被選功能碼的使用是唯一的。
- 如果用戶要重新設置功能作為一個公共功能碼，那么用戶必須啟動 RFC，以便將改變引入
- 公共分類中，並且指配一個新的公共功能碼。
保留功能碼
- 一些公司對傳統產品通常使用的功能碼，並且對公共使用是無效的功能碼。
2.2.公共功能碼定義
3.MODBUS通信模塊設計
3.1.模塊概述
Modbus通信模塊是多功能控制器中必不可少的一個功能，有了它才能使外部設備（如除濕裝置、熒光測溫、溫濕度檢測、六氟化硫檢測）與COM控制器的進行數據傳輸、遠程控制。因此Modbus通信協議的地位自然不言而喻。
3.2.設計目標
實現對外設數據的讀取和控制功能。
3.3.設計原則
盡量做到模塊的分層設計。
3.4.運行環境
操作系統：Linux
3.5.模塊結構設計
4.模塊功能設計
4.1.發送組包功能設計
4.2.接收解包功能設計
4.3.串口管理模塊設計
4.3.1.計算機串口的引腳說明
| 序號 |
信號名稱 |
符號 |
流向 |
功能 |
| 2 |
發送數據 |
TXD |
DTE→DCE |
DTE發送串行數據 |
| 3 |
接收數據 |
RXD |
DTE←DCE |
DTE 接收串行數據 |
| 4 |
請求發送 |
RTS |
DTE→DCE |
DTE 請求 DCE 將線路切換到發送方式 |
| 5 |
允許發送 |
CTS |
DTE←DCE |
DCE 告訴 DTE 線路已接通可以發送數據 |
| 6 |
數據設備准備好 |
DSR |
DTE←DCE |
DCE 准備好 |
| 7 |
信號地 |
|
|
信號公共地 |
| 8 |
載波檢測 |
DCD |
DTE←DCE |
表示 DCE 接收到遠程載波 |
| 20 |
數據終端准備好 |
DTR |
DTE→DCE |
DTE 准備好 |
| 22 |
振鈴指示 |
RI |
DTE←DCE |
表示 DCE 與線路接通，出現振鈴 |
4.3.2.串口操作的頭文件定義
#include <stdio.h> /*標准輸入輸出定義*/
#include <stdlib.h> /*標准函數庫定義*/
#include <unistd.h> /*Unix 標准函數定義*/
#include <sys/types.h> /*數據類型，比如一些XXX_t的那種*/
#include<sys/stat.h> /*定義了一些返回值的結構，沒看明白*/
#include<fcntl.h> /*文件控制定義*/
#include<termios.h> /*PPSIX 終端控制定義*/
#include<errno.h> /*錯誤號定義*/
4.3.3、串口設置
（1）、串口文件位於/dev目錄下，而且以tty開飛的，
其中：串口一 為 /dev/ttyS0，串口二 為 /dev/ttyS1，等等。其中/dev/ttyUSB* 表示USB轉串口。如：
（2）、串口的打開和設置
打開串口是通過使用標准的文件打開函數操作：
int fd; /*以讀寫方式打開串口*/ fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR); if (-1 == fd){ /* 不能打開串口一*/ MFS_LOG_TRACE_ERR(" 提示錯誤！"); }
(3)、設置串口
最基本的設置串口包括波特率設置，效驗位和停止位設置，串口的設置主要是設置 struct termios 結構體的各成員值。
struct termio { unsigned short c_iflag; /* 輸入模式標志 */ unsigned short c_oflag; /* 輸出模式標志 */ unsigned short c_cflag; /* 控制模式標志*/ unsigned short c_lflag; /* local mode flags */ unsigned char c_line; /* line discipline */ unsigned char c_cc[NCC]; /* control characters */ };
（4）、串口的讀寫
如果不是開發終端之類的，只是串口傳輸數據，而不需要串口來處理，那么使用原始模式(Raw Mode)方式來通訊。
發送數據：
char buffer[1024]; int Length; int nByte; nByte = write(fd, buffer ,Length)
讀取串口數據：
使用文件操作read函數讀取，如果設置為原始模式(Raw Mode)傳輸數據，那么read函數返回的字符數是實際串口收到的字符數。
可以使用操作文件的函數來實現異步讀取，如fcntl，或者select等來操作。
char buff[1024]; int Len; int readByte = read(fd,buff,Len); 關閉串口： 關閉串口就是關閉文件。 close(fd);
4.4.接口設計
Modbus通信協議設計：
/************************外部接口************************************/ /*發送組包*/ /*參數說明： Modbus_t *ctx ： 操作設備的簡要信息 modbus_msg *msg：modbus消息結構體，指需要進行打包或解包的信息 */ int modbus_pack(modbus_t *ctx,msg_src *src ,modbus_msg *msg);//pack *msg); /*參數說明： Modbus_t *ctx ： 操作設備的簡要信息 unsigned int *src：數據的目標地址 modbus_msg *msg：modbus消息結構體，指需要進行打包或解包的信息 */ Int modbus_unpack(modbus_t *ctx,msg_src* req,msg_src* rsp,resolve_src* dest); /*modbus上下文信息結構體*/ typedef struct modbus_t{ modbus_type_t type; //modbus的通信類型，rtu、ascii、tcp等 int slave; //客戶端地址 int *s; //表示實例化之后的串口編號 unsigned int devicecode; //設備編碼 unsigned int functiontype; //功能類別的編碼 struct timeval timeout; //延時 char *devicename; //設備名稱 modbus_error_recovery_mode error_recovery; //錯誤的恢復模式 int debug; };
說明：設備類別編碼優先級大於功能類別編碼，解決部分設備可能由於更換產家等原因導致功能相同，但是數據協議不同的情況
/*Modbus消息結構體*/ typedef struct modbus_msg{
uint8_t function_code; //modbus的功能碼 int start_addr; //數據的起始地址 int data_length; //數據長度（數據個數） int write_data; //寫入數據的值 uint8_t *s_dest; //ｓｍａｌｌ ｄｅｓｔ uint16_t *dest; //線圈、離散量數據 uint16_t *regisdate; //寄存器操作的數據 }
/*********************內部接口**************************************/
//源消息結構體 typedef struct _modbus_src_t { uint8_t *msg_src; //數組的地址 int msg_len; //數組的長度 }msg_src; typedef enum { MODBUS_ERROR_RECOVERY_NONE = 0, MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK = (1<<1), MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL = (1<<2) } modbus_error_recovery_mode;
串口管理模塊設計：
/*************************接口的設計*************************/ typedef struct _dts { serial_mode serial_mode; //串口的通信類型，RS485、ＲＳ２３２等 int s; //表示實例化之后的串口編號 unsigned int devicecode; //設備編碼 struct timeval timeout; //延時 char *devicename; //設備名稱 int error_recovery; //錯誤的恢復模式 int debug; void *backend_data; }dts_t,dts; （命名方式：）device to seial dts* serial_set_new(const char *device, int baud, char parity, int data_bit, int stop_bit,struct timeval timeout); //串口的結構設計 typedef struct _serial { /* Device: "/dev/ttyS0", "/dev/ttyUSB0" or "/dev/tty.USA19*" on Mac OS X. */ char *device; /* Bauds: 9600, 19200, 57600, 115200, etc */ int baud; /* Data bit */ uint8_t data_bit; /* Stop bit */ uint8_t stop_bit; /* Parity: 'N', 'O', 'E' */ char parity; #if defined(_WIN32) struct win32_ser w_ser; DCB old_dcb; #else /* Save old termios settings */ struct termios old_tios; #endif #if HAVE_DECL_TIOCSRS485 int serial_mode; #endif #if HAVE_DECL_TIOCM_RTS int rts; int rts_delay; int onebyte_time; void (*set_rts) (dts *ctx, int on); #endif /* To handle many slaves on the same link */ int confirmation_to_ignore; } serial_t; //串口的工作模式 typedef enum _serial_mode { SERIAL_RS232=0, SERIAL_RS485 }serial_mode;