1.背景

1.1.範圍

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匯流排或網路的設備之間提供客戶機/伺服器通信。

自從 1979 年出現工業串列鏈路的事實標準以來， 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 棧上的保留系統埠 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 網際網路工程工作組

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體繫結構實例

每種設備（PLC、HMI、控制面板、驅動程式、動作控制、輸入/輸出設備）都能使用 MODBUS協議來啟動遠程操作。

在基於串列鏈路和以太 TCP/IP 網路的 MODBUS 上可以進行相同通信。

一些網關允許在幾種使用 MODBUS 協議的匯流排或網路之間進行通信。

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） 。特定匯流排或網路上的 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。 功能碼向伺服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。

用一個位元組編碼 MODBUS 數據單元的功能碼域。有效的碼字範圍是十進位 1-255（128-255 為異常響應保留） 。當從客戶機向伺服器設備發送報文時，功能碼域通知伺服器執行哪種操作。

向一些功能碼加入子功能碼來定義多項操作。

從客戶機向伺服器設備發送的報文數據域包括附加信息，伺服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位元組數。

在某種請求中，數據域可以是不存在的（0 長度） ，在此情況下伺服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，那麼伺服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，那麼域包括一個異常碼，伺服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。

當伺服器對客戶機響應時，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，伺服器僅對原始功能碼響應。

對於異常響應，伺服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。

  註釋：需要管理超時，以便明確地等待可能不會出現的應答。

串列鏈路上第一個MODBUS執行的長度約束限制了MODBUS PDU大小 （最大RS485ADU=256位元組） 。

因此， 對串列鏈路通信來說，MODBUS PDU=256-伺服器地址（1 位元組）-CRC（2 位元組）＝253位元組。

從而：

RS232 / RS485 ADU = 253 位元組+伺服器地址(1 byte) + CRC (2 位元組) = 256  位元組。

TCP MODBUS ADU = 249 位元組+ MBAP (7 位元組) = 256  位元組。

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：

1.6.設計背景

因為公司發展需要需要研發一個基於ARM9晶元的中央控制器（如下：設計架構圖和硬體設計圖），可以用來控制前端設備，並與雲平臺和用戶進行交互。其中一個重要的功能就是要求設備設備能採集前端設備（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採集來的信息進行反饋控制。經過市場研究和調查，現在採集設備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：

硬體結構設計：

在我們進行軟體設計的同時，也同步進行硬體的設計，但是一些前段設備，我們都是從外面的產家進行購買的，包括氣體感測器（如CO、CH4等）、電量採集、流量採集（水流、氣體等）的採集，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繫，我們正在進行採購測試的，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範圍，即 65 至 72 和十進位 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，那麼用戶必須啟動 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、遠程式控制制。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

儘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.電腦串口的引腳說明

 4.3.2.串口操作的頭文件定義

#include <stdio.h>      /*標準輸入輸出定義*/

#include <stdlib.h>     /*標準函數庫定義*/

#include <unistd.h>     /*Unix 標準函數定義*/

#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準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; /* 輸入模式標誌 */

    unsigned short  c_oflag;     /* 輸出模式標誌 */

    unsigned short  c_cflag;     /* 控制模式標誌*/  

    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，那麼使用原始模式(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，那麼read函數返回的字元數是實際串口收到的字元數。

可以使用操作文件的函數來實現非同步讀取，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.介面設計

Modbus通信協議設計：

/************************外部介面************************************/

/*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;    //表示實例化之後的串口編號

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：設備類別編碼優先順序大於功能類別編碼，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

}

 

/*********************內部介面**************************************/

//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：

/*************************介面的設計*************************/

typedef struct  _dts

{

serial_mode  serial_mode;    //串口的通信類型，RS485、ＲＳ２３２等

int s;    //表示實例化之後的串口編號

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;