物联网实战--驱动篇之(二)Modbus协议

一、modbus简介

二、功能码01、02

三、modbus解析

四、功能码03、04

五、功能码05

六、功能码06

七、功能码16

一、modbus简介

我们在网上查阅modbus的资料发现很多很杂，modbus-RTU ASCII TCP等等，还有跟PLC结合的，地址还分1开头的，4开头的，搞得有点懵，那其实是各行业有各自差异化的规则而已，实际上modbus就是地址码+功能码+数据区+校验码了，这是核心，具体可以看这篇比较简洁。modbus rtu六种功能码详细解析-电子发烧友网

对于我们物联网领域而言，就是方便在主机端接入其它厂家的传感器或执行器设备就是了，比如温湿度、PH计等等，厂家在生产的时候产品定位就是配套应用商，所以modbus协议基本是标配，只是不同厂家的传感器modbus的数据地址定义不一样而已；当然，也有少数厂家用自定义协议，非要用的话就得多费时间去了解它的协议了，那modbus协议的传感器我们如果有驱动的话请求或解析就可以直接复用了，下图是TB上随便搜索的485温湿度传感器的通讯协议。

另外，modbus对于我们来讲，物理层一般都是RS485的，当然了，要用RS232或TTL串口，甚至是4G、LORA也都是可以的。modbus协议使用的时候一般是主机发送请求，从机回复结果的流程，主机可以请求传感器数据，也可以设置内容，比如控制继电器开关，一应一答，每次轮询根据波特率要有一定间隔，一般几十到几百毫秒，像RS485的波特率不要太高，一般是9600，如果距离有几百米建议更低，4800或2400。在实际工程项目中，主机跟从机的485通讯经常会有莫名其妙的问题(通讯不上或者乱码)，这个就要靠经验解决了。

那我们写modbus驱动文件的意义在哪里，要怎么写？就跟之前用过的mqtt协议一样，我们这个驱动程序主要作用就是组合报文和解析报文，这样当你拿到一个厂家的modbus传感器的时候，直接调用这个驱动文件的函数就可以请求数据了，最后再根据厂家对数据的定义进行应用层解析就行了。接下来我们就几个常用的功能码做详细介绍。

二、功能码01、02

01的作用就是读取开关量输出状态，02的作用是读取IO输入状态，其实都差不多，返回的数据中，正常每个bit位代表各自的开关/输入状态，比如数据如下：

请求：01 02 00 00 00 04 79 C9

返回：01 02 01 0B E0 4F

这里面的含义是请求起始数据地址为0x0000的4个输入状态，返回的是地址码01、功能码02、数据长度01、数据区0B和CRC校验码E0 4F，那对于应用层来讲，有用的数据就是0B了，我们现在把0B换成二进制显示是 0000 1011，那么这个数据正常理解就是1、2、4路输入触发，3路正常，具体的要以厂家提供的资料为准。功能码01也是一个道理的。这里面，如果你请求的寄存器数量小于8个，那从机会返回一个字节数据，每个bit代表一个寄存器状态，多余的是高位无效，一般用0代替。

下面是具体的请求代码：


/*		
================================================================================
描述 :modbus 0x01的报文组合
输入 : 
输出 :  
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun01(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_num, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
  if(make_size<20)
  {
    return 0;
  }
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x01;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start;
	make_buff[make_len++]=reg_num>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_num;
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	return make_len;
}

/*		
================================================================================
描述 :modbus 0x02的报文组合
输入 : 
输出 :  
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun02(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_num, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
  if(make_size<20)
  {
    return 0;
  }
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x02;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start;
	make_buff[make_len++]=reg_num>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_num;
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	return make_len;
}

代码的核心就是根据从机地址、寄存器起始地址、寄存器数量来组合报文，应用层再把这个报文发送出去，至于是使用RS485还是RS232都是可以的，驱动层不关心。

三、modbus解析

对于协议解析就很有讲究了，我看到的大部分解析代码都是数据包丢进解析函数里，然后函数直接就CRC校验，出错就返回了，这样的解析代码其实稳定性不太好，因为实际传输的时候会经常莫名其妙的数据头或尾巴多出个00或FF或者其它数据，但是完整正确的数据包又在里面，这样CRC校验肯定是错的，所以这里我把解析函数升级了下，这样鲁棒性会好点。

/*		
================================================================================
描述 : modbus 基础数据解析
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_parse_base(u8 slave_addr, u8 fun_code, u8 *in_buff, u16 in_len, u8 *out_buff, u16 out_size)
{
  u16 recv_len=in_len, crcValue;
  u8 *pData=in_buff;
  u8 data_len=0;
  if(recv_len<4 || recv_len>250)
    return 0;
  for(u8 i=0;i+4<recv_len;i++,pData++)
  {
    if(pData[0]==slave_addr && pData[1]==fun_code)//比较地址和功能码
    {
      data_len=pData[2];
      crcValue=pData[data_len+3]<<8|pData[data_len+4];
      if(crcValue==drv_crc16(pData, data_len+3))
      {
        if(data_len<out_size)
        {
          memcpy(out_buff, &pData[3], data_len);
        }
        else
        {
          data_len=0;
        }          
        break;
      }						

    }				
  }
  return data_len;
}

首先要声明的是这个代码适合读取数据的功能码，比如01、02、03和04，对于设置功能码05、06成功了直接返回相同报文，可以用字符串匹配的方式进行确认，这里先略过。这段代码的核心是匹配用户需要的从机地址和功能码，这就相当于数据标识头了，有了这个以后，至少可以过滤掉前面无用的干扰数据了，之后的第三字节就是数据长度了，有了这个长度值就能够准确地做CRC校验了，校验成功之后把数据区的内容复制出来就可以了，剩下的是应用层的事情了。

对于功能码01和02，对应的解析函数就是调用上面的函数就行了，具体如下。


/*		
================================================================================
描述 : modbus 0x01 数据解析
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_parse_fun01(u8 slave_addr, u8 *in_buff, u16 in_len, u8 *out_buff, u16 out_size)
{
  return drv_modbus_parse_base(slave_addr, 0x01, in_buff, in_len, out_buff, out_size);
}


/*		
================================================================================
描述 : modbus 0x02 数据解析
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_parse_fun02(u8 slave_addr, u8 *in_buff, u16 in_len, u8 *out_buff, u16 out_size)
{
  return drv_modbus_parse_base(slave_addr, 0x02, in_buff, in_len, out_buff, out_size);
}

四、功能码03、04

03和04功能码比较相似，差别在于03是保持寄存器，可读可写，04是输入寄存器，只读。比如热敏温度头的数据一般就用04来读取，主机不能改变；空调的设定温度一般用03来读取，同时可以用06来设置更改。具体组合报文代码如下：


/*		
================================================================================
描述 :modbus 0x03的报文组合
输入 : 
输出 :  
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun03(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_num, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
  if(make_size<20)
  {
    return 0;
  }
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x03;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start;
	make_buff[make_len++]=reg_num>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_num;
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	return make_len;
}

/*		
================================================================================
描述 :modbus 0x04的报文组合
输入 : 
输出 :  
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun04(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_num, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
  if(make_size<20)
  {
    return 0;
  }
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x04;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start;
	make_buff[make_len++]=reg_num>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_num;
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	return make_len;
}

跟01、02功能码是差不多的，解析代码也是类似：

/*		
================================================================================
描述 : modbus 0x03 数据解析
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_parse_fun03(u8 slave_addr, u8 *in_buff, u16 in_len, u8 *out_buff, u16 out_size)
{
  return drv_modbus_parse_base(slave_addr, 0x03, in_buff, in_len, out_buff, out_size);
}

/*		
================================================================================
描述 : modbus 0x04 数据解析
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_parse_fun04(u8 slave_addr, u8 *in_buff, u16 in_len, u8 *out_buff, u16 out_size)
{
  return drv_modbus_parse_base(slave_addr, 0x04, in_buff, in_len, out_buff, out_size);
}

应用层数据解析以文章开头的温湿度为例，调用drv_modbus_parse_fun03函数后，out_buff内的数据就是02 92 FF 9B四个字节，具体的转换如下图所示。

五、功能码05

其作用是设置单路输出，比如第二路继电器开，开就往寄存器内设置FF 00，关就设置00 00，设置成功后就直接返回原数据。那么，对于05功能码的返回要如何处理呢？两个选择，一个是用我的工程里drv_common.c的memstr函数做匹配，看下返回的数据包里有没有包含刚才设置的数据串；另一个选择是直接忽略，有没有设置成功不要在这里观测，而是用01功能码实时读取输出状态值，如果状态不匹配要怎么处理由应用层自己决定，比如重复执行3次后仍然失败那就向用户发端出故障信息，人工介入等等。

/*		
================================================================================
描述 :modbus 0x05的报文组合
输入 : 
输出 :  
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun05(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_value, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
  if(make_size<20)
  {
    return 0;
  }
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x05;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start;
	make_buff[make_len++]=reg_value>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_value;	
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	return make_len;
}

六、功能码06

06和03对应的寄存器是一样的，03读06写，比如空调预设温度、净化器预设转速等这些都可以叫保持寄存器。有点区别是 03可以批量读取连续的寄存器，06只能单个设置，06的具体代码如下：


/*		
================================================================================
描述 :modbus 0x06的报文组合
输入 : 
输出 :  
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun06(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_value, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
  if(make_size<20)
  {
    return 0;
  }
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x06;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start;
	make_buff[make_len++]=reg_value>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_value;	
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	return make_len;
}

06的返回解析跟05类似，正常直接忽略就行了，用03功能码去监测到底有没有设置成功。

七、功能码16

16是十进制的，也就是16进制的0x10功能码，是06的扩展，它可以批量设置寄存器，稍微复杂点，具体看如下代码：

/*		
================================================================================
描述 : modbus 0x10的报文组合
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
u16 drv_modbus_send_fun16(u8 slave_addr, u16 reg_start, u16 reg_num, u8 *reg_data, u8 *make_buff, u16 make_size)
{
	u16 make_len=0;
	u16 crcValue;
	u8 	data_len=reg_num*2;

	if(make_size<10+data_len)
		return 0;
	make_buff[make_len++]=slave_addr;
	make_buff[make_len++]=0x10;
	make_buff[make_len++]=reg_start>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_start; //寄存器起始地址
	make_buff[make_len++]=reg_num>>8;
	make_buff[make_len++]=reg_num;	//寄存器数量
	make_buff[make_len++]=data_len;//数据区长度
	memcpy(&make_buff[make_len], reg_data, data_len);//数据区
	make_len+=data_len;
	crcValue=drv_crc16(make_buff, make_len);
	make_buff[make_len++]=crcValue>>8;
	make_buff[make_len++]=crcValue;
	
	return make_len;		
}

返回也是忽略就行了，用03去读取监测。

modbus的解析大概就是这样了，完整版的内容比较多，但是根据平时项目的使用频率来看，常用的就这些了，其他的要学习只能自己再找找资料了。

具体代码在这里下载https://download.csdn.net/download/ypp240124016/89091325

工程原来上传过了，自己添加驱动程序测试就行了。https://download.csdn.net/download/ypp240124016/89044525

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