Modbus協議棧應用實例之四：ModbusTCP服務器應用

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　　自從開源了我們自己開發的Modbus協議棧之后，有很多朋友建議我針對性的做幾個示例。所以我們就基於平時我們的應用整理了幾個簡單但可以說明基本的應用方法的示例，這一篇中我們來簡述如何使用協議棧實現一個Modbus TCP服務器應用。

1、何為TCP服務器

　　Modbus協議是一個主從協議，那肯定就有主站和從站之分，在Modbus TCP中亦稱之為客戶端與服務器。所謂TCP客戶端其功能基本與RTU主站一樣，RTU主站會向從站發起數據請求，同樣的TCP客戶端也會向服務器發起請求。也就是說在Modbus TCP模式下客戶端亦是發起通訊的一方。

　　對於TCP客戶端來說，自己並不會產生數據，它的數據均是從服務器獲取，為了得到數據就必須向服務器發起數據請求。在Modbus TCP協議中，服務器一般也不會主動向外發送數據，服務器需要根據客戶端的數據請求來決定是否發送數據、發送哪些數據。這一過程如下圖所示：

 

　　從上圖我們不難看出，首先客戶端要主動發起數據請求，客戶端發起的數據請求需要告訴服務器它請求的數據有哪些。服務器收到這個數據請求后，服務器解析客戶端的請求並按照客戶端的請求返回數據。客戶端收到數據響應后解析數據，這樣就完成了客戶端與服務器之間的一次數據通訊。

需要注意的是，Modbus TCP與Modbus RTU不同的是有一個專用的MBAP報文頭來識別Modbus應用數據單元。這一報文頭由7個字節組成：

 

　　這種MBAP報文頭雖然也是用來識別Modbus數據域，但還是與串行鏈路上使用的MODBUS RTU應用數據單元有一些差別，具體如下：

　　（1）、用MBAP報文頭中的單個字節單元標識符取代MODBUS串行鏈路上通常使用的MODBUS從地址域。這個單元標識符用於設備的通信，這些設備使用單個 IP 地址支持多個獨立MODBUS 終端單元，例如：網橋、路由器和網關。

　　（2）、使用接收者可以驗證的方式來構造所有MODBUS請求和響應。對於MODBUS PDU有固定長度的功能碼來說，僅功能碼就足夠了。對於在請求或響應中攜帶一個可變數據的功能碼來說，數據域包括字節數。

　　（3）、使用TCP上傳送MODBUS數據域時，即使將報文分成多個信息包來傳輸，可在MBAP報文頭上攜帶附加長度信息，這樣接收者就能夠識別報文的完整性。

2、如何實現TCP服務器

　　我們已經簡單的描述了基於TCP/IP的Modbus數據通訊，在此基礎上我們將進一步描述基於協議棧的Modbus TCP服務器的實現。

　　在協議棧中，我們已經實現了Modbus TCP服務器的基本功能，如數據的管理及響應客戶端的請求等。Modbus TCP服務器作為數據的生產者，管理者四類數據：線圈量、狀態量、輸入寄存器和保持寄存器。所以在Modbus TCP服務器中我們要為這四種數據定義相應的地址，以便客戶端能夠對應的訪問。所以設計一個Modbus TCP服務器我們先來設計它的數據地址。在我們的例子中，出於操作方便，我們規定了每類數據類型的數量為10，我們以用的最多的保持寄存器為例，定義寄存器地址為40001到40010。

　　在我們的協議棧中實現了0x01、0x02、0x03、0x04、0x05、0x06、0x0F以及0x10等功能碼。也就是說客戶端對象會生成面向這些功能碼的Modbus TCP服務器數據請求。Modbus TCP服務器收到請求后，解析請求並根據請求生成響應的數據響應。可以表示為下圖所示：

 

　　從上圖我們明白協議棧中已經實現了對收到的主站數據請求進行解析以及根據解析生成對應的響應的函數。我們使用協議棧時，主要需要做兩個方面的事情：解析數據請求和生成數據響應。

　　在協議棧中定義了一個解析函數，該函數將收到的數據請求消息解析，並根據解析的結果生成返回的數據響應。該函數的原型如下：

　　/*解析接收到的信息，返回響應命令的長度*/

　　uint16_t ParsingClientAccessCommand(uint8_t *receivedMessage,uint8_t *respondBytes)

　　這個函數有2個參數：uint8_t *receivedMessage是收到的數據請求消息； uint8_t *respondBytes是返回的數據響應消息，也是函數需要生成的；而函數的返回值則是生成的數據響應詳細的長度。

　　在解析的過程中，該函數判斷消息的完整性，並根據不同的功能碼調用不同的回調函數來實現，包括設置本地數據和獲取本地數據的相關回調函數，在后續將討論它們的實現。

3、TCP服務器編碼

　　到這里其實我們已經很清楚，使用協議棧實現Modbus TCP服務器只需要在TCP/IP收到客戶端請求后調用sendLen = ParsingClientAccessCommand(buffer, sendBuf);函數解析收到的請求命令。並根據請求執行相應的操作就可以了。那需要實現哪些操作呢？在協議棧中定義了8個回調函數，分別是獲取線圈量、獲取狀態量、獲取輸入寄存器和獲取保持寄存器，以及預置單個線圈量、預置多個線圈量、預置單個保持寄存器和預置多個保持寄存器。函數原型定義如下：

/*獲取想要讀取的Coil量的值*/
__weak void GetCoilStatus(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,bool *statusList)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*獲取想要讀取的InputStatus量的值*/
__weak void GetInputStatus(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,bool *statusValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*獲取想要讀取的保持寄存器的值*/
__weak void GetHoldingRegister(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,uint16_t *registerValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*獲取想要讀取的輸入寄存器的值*/
__weak void GetInputRegister(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,uint16_t *registerValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*設置單個線圈的值*/
__weak void SetSingleCoil(uint16_t coilAddress,bool coilValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*設置單個寄存器的值*/
__weak void SetSingleRegister(uint16_t registerAddress,uint16_t registerValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*設置多個線圈的值*/
__weak void SetMultipleCoil(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,bool *statusValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}
 
/*設置多個寄存器的值*/
__weak void SetMultipleRegister(uint16_t startAddress,uint16_t quantity,uint16_t *registerValue)
{
  //如果需要Modbus TCP Server/RTU Slave應用中實現具體內容
}

　　這些函數就是我們要根據我們的Modbus TCP服務器功能設計實現的。對於我們這個測試例子我們只需要實現讀取保持寄存器就可以了。具體實現如下：

/*獲取想要讀取的保持寄存器的值*/
void GetHoldingRegister(uint16_t startAddress, uint16_t quantity, uint16_t* registerValue)
{
    uint16_t start;
    uint16_t count;

    /*先判斷地址是否處於合法范圍*/
    start = (startAddress > 0) ? ((startAddress <= 9) ? startAddress : 9) : 0;
    count = ((start + quantity - 1) <= 9) ? quantity : (9 - start);
 
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        registerValue[i] = holdingRegister[start + i];
    }
}

　　這個例子中我們實現了讀取40001到40010保持寄存器的值。

4、TCP服務器小結

　　我們在TCP服務器的基礎上使用我們的協議棧實現一個Modbus TCP服務器應用。其實使用協議棧實現Modbus TCP服務器應用是很簡單的，我們需要使用如ModPoll這樣的軟件來測試一下它。

 

　　我們讀取10個保持寄存器，值分別為對應位固定的1到10，如上圖讀出的結果與預期一致。我們還可以采用TCP&UDP測試工具來看一下報文，具體如下：

 

　　同樣的，在同一台設備上只需實現一個Modbus TCP服務器，哪怕是通過不同的網絡端口來訪問。這一點與客戶端是不一樣的，原因是Modbus TCP服務器的數據是自己產生，而且只需被動響應客戶端的數據請求。

　　接下來我們來總結一下使用協議棧實現Modbus TCP服務器的工作流程，或者說實現的步驟。首先Modbus TCP服務器要解析從客戶端送來的數據請求。在協議棧中已經封裝了數據請求的解析函數、所以我們實現Modbus TCP服務器時首先就是調用這一函數來解析接收到的數據請求消息。

　　然后將解析函數返回的數據響應消息發送到客戶端就可以了。也就是說使用協議棧，只需要調用一下這個函數Modbus TCP服務器功能就實現了。這是因為這個函數實現了整個Modbus TCP服務器的響應過程，大致分三個步驟：第一步，解析收到的客戶端數據請求消息；第二步，根據解析的結果預置數據或者獲取數據，預置和獲取數據由8個回調函數實現；第三步，生成Modbus TCP服務器數據響應消息。說到這里我們已經清楚，Modbus TCP服務器必須實現這些回調函數，其它工作則全由協議棧完成。

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