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20141022新增 modbus?關於modbus RTU的使用說明II

先前留下了一些關於modbus的文章卻好像沒有留下一點關於modbus基礎的介紹
modbus是一種工業控制常用的通訊協定，他定義了一個標準的通訊封包格式，
而非一種通訊技術，最早modbus是使用於PLC上，漸漸的許多工控設備也開始
採用modbus作為一種標準的通訊格式。

而modbus也產生出了許多不同的形態，如modbus RTU為最原始的以二進制方式表示
也有使用ASCII的modbus ASCII，以及modbus TCP/IP等等型態，
其不同的差異只有在於部分的格式不同(ASCII採用字元編碼方式傳送)
在低階的硬體控制中，最常使用的莫過於modbus RTU這種以二進制方式傳送的通訊
是最簡單不過的，在RS485(TTL485)中經常可以看到modbus的通訊協定
其原因為modbus本身也具有master與slave的架構，在一個並聯(RS485)的通訊環境
中，有一節點(設備)為master，由該master向其他slave通訊，進行通訊、控制等。

modbus提供許多操作功能碼，其詳細的定義了這些功能的作用以及格式
這邊所提到，定義，指的只是一個規則，我們在寫程式或在使用時就必須遵照
這些規則進行，就等於是在實行標準的modbus協議。

以下是我簡單介紹的modbus RTU的使用方式

1.讀/寫位址表(Mapping table):
在使用modbus協定中，要讀取或寫入設備，通常必須先知道欲控制或讀取設備之
記憶體暫存器位置表，不同的產品、設備，都會有自己的位址表，基本上是不會
相同的，標準中每個地址的長度以1word表示，每個位址所代表的資料量為1word
等於 1 address = 1 word data
但在實際用途上，經常性的資料範圍會有大於1word的時候，所以有些人則會連續
定義兩個2 address做為1個資料的內容存放空間，所以，在使用modbus RTU前，
必須先了解該設備的位址表，才有辦法讀取或控制自己要的內容

2.Slave address/Slave ID 設備端ID
當要讀寫slave時，必須先知道該設備的address/ID，至於這個ID要從何得知?
通常就要問負責該設備的人，或者設計者，或者原廠公司，或者熟悉他的人

3.常用的modbus功能碼(function code) - 0x03
0x03功能碼(function code)所定義的功能為讀取多個暫存器，用來讀取一連續
位址的資料。

master讀取格式：
設備ID(slave address/ID) + 0x03 + 讀取起始位置(word) + 讀取的數量(word) + CRC16

slave回復格式:
設備ID(slave address/ID + 0x03 + 回復資料的byte數 + 資料1(word) + ... + 資料n(word) + CRC16

例如:(以下所出現之命令數字均已16進制表示)
master送出: 05 03 0100 0003 + CRC16
slave回應: 05 03 06 00A1 00B2 00C3 + CRC16
這樣就讀取到暫存器位址中0100,0101,0102的資料分別為
0100 = 00A1
0101 = 00B2
0102 = 00C3

4.常用的modbus功能碼(function code) - 0x06
0x06的作用，在於寫入單一個暫存器資料，因一次只能寫入一筆資料，
依照modbus標準的定義來看，一次只能寫入1word的資料量。

master寫入格式:
設備ID(slave address/ID) + 0x06 + 寫入暫存器位置(word) + 寫入資料(word) + CRC16

slave回復格式:
設備ID(slave address/ID) + 0x06 + 寫入暫存器位置(word) + 寫入資料(word) + CRC16

0x06寫入與回應是相同的時候，代表寫入成功，如寫入失敗時，則會有另外一種格式，於後面介紹

寫入範例:
master 送出: 05 06 0205 9999 + CRC16
slave 回應: 05 06 0205 9999 + CRC16
經過上面的命令後，slave端暫存器位置0205資料寫入變更為0x9999

5.常用的modbus功能碼(function code) - 0x10
0x10是在執行連續寫入多個暫存器用，其發送命令類似0x03功能的回覆命令

master寫入格式:
設備ID(slave address/ID) + 0x10 + 寫入暫存器起始位置(word) + 寫入的數量(word) + 資料數量(byte)
+ 第1筆資料(word) + ... +第n筆資料(word) + CRC16

slave回復格式:
設備ID(slave address/ID) + 0x10 + 寫入暫存器起始位置(word) + 寫入的數量(word) + CRC16

這個命令通常剛接觸的人都會霧煞煞，簡單說就是指定一個寫入的起始位置，然後預計寫入多少個暫存器
然後再加上一個資料數量，這個資料數量就是後面所帶的資料量有幾個byte，所以等於寫入的數量乘以2
因為一次需要寫入一個word的資料量，以至於就必須告訴slave端說後面帶了多少資料，很多人會說
已經知道寫入幾個了，為什麼還要脫褲子放屁的加上一個資料byte數呢?其原因應該是增加資料的可靠度
當slave端收到命令時，可以有助於驗證資料的正確性，如同0x03功能碼回覆時，也必須帶一個資料長度的大小
也是一樣的作用。

寫入範例:
master 送出: 05 10 0601 0003 06 000A 000B 000C + CRC16
slave 回應: 05 10 0601 0003 + CRC16
這行命令代表了我要寫入多個暫存器，由0601開始寫，連續寫入三個，所以後面的資料長度是6byte
經過命令之後
0601 = 000A
0602 = 000B
0603 = 000C

6.錯誤例外處理

標準modbus中也提供了錯誤例外的處理，例如當收到不合乎規則的命令時，
該如何回應master端的要求，其格式相當簡單

slave回應的錯誤例外格式:
設備ID(slave address/ID) + (功能碼 | 0x80) + 錯誤識別碼 + CRC

由上面格式中可以看到，當發生錯誤時，功能碼最高位元會 OR 0x80
也就是最高位元為1時代表有錯誤產生，而錯誤識別碼在標準modbus中也有定義

01 －　Illegal function
錯誤的功能碼，要求指令中的Function是不正確的。
02 － Illegal data address
錯誤的地址，要求指令中出現了不被辨識的Address。
03 －　Illegal data value
錯誤的資料參數，要求指令中出現了錯誤的Data。
04 － Slave device failure
Slave device發生錯誤。
05 －　Acknowledge
Slave device正再處理上一個命令。
06 －　Slave device busy
Slave device忙碌。

我認為這些錯誤的例外處理代碼，是可以自行定義的，只需在文件中說明清楚即可

7.modbus RTU的Timeout超時
規範中說明第一個命令與上一個命令至少距離3.5字節的時間

熟悉通訊的人可能對於timeout/超時這個時間不是很陌生，但是不熟悉的人可能就會
霧煞煞。設備通訊就跟人與人之間的對談是一樣的，想想在電話中與遠處的人交談時
你如何決定何時該回話?通常都是等待著對方結束上一句話的n個時間內(幾毫秒內)，
而這幾毫秒內就相當於modbus中的timeout超時時間，代表這個命令傳送已經結束了
slave端可以進行資料的解析做處理，在modbus ASCII傳送時，因為是ASCII(字元碼)的關係
可以使用特定的字元做為結束的標記，slave端一直接收資料，直到收到特定字元時，
則代表該次傳送命令已結束，而在modbus RTU中，因為沒有特定的字元可以做標示
因為在二進制中，並沒有辦法使用哪個編碼做為特定字元(有存在衝突的可能)，
所以取而代之使用時間做為結束的表示，上面所說的3.5字節的時間，
是modbsu標準的定義，以一個baud rate 9600bps的通訊環境來說，1個字節相當於1ms
換句話說，3.5 * 1 = 3.5ms也就是相當於需要4ms時，就可以判斷該命令已結束
但是在實際應用中，因為通訊環境的因素可能不是著麼理想(存在許多干擾的因素)
通常timeout時間我都抓在5~10字節時間，比較不會發生master尚未傳送完命令
但slave已經關閉接收的問題。
以下是我寫的modbus slave接收處理程式，
其程式作用在於操作modbusRAM[]陣列變數，
以modbusRAM[]陣列變數做為modbus address的呼應
所以當master傳送操作、讀取命令時，均是在操作讀取modbusRAM[]陣列內容。

#include 	"remote.h"
//The remote function is standard modbus : 1 addr = 1 word data

uint16	modbusRAM[128];
uint8	commTimeCount;
static	uint8	slaveID;
static	uint8	txCount;			//transfer buffer counter
static	uint8	cnt;				//receive buffer counter
uint8	commRxBuffer[200];			//receive remote command buffer
uint8	commTxBuffer[200];

//----------------------------------------------------------------------------
//Communication Uart Receive Interrupt
//這是UART的中斷程式，採用1byte接收中斷一次
//----------------------------------------------------------------------------
void commUartINT (void)
	{
	commRxBuffer[cnt] = commUart_bReadRxData();

	if (commRxBuffer[0] == slaveID)
		{
		cnt++;
		}
	else
		{
		cnt = 0;
		commRxBuffer[0] = 0;
		}

	commTimeCount = 0;
	return;
	}
//----------------------------------------------------------------------------
//Remote communication function in here
//Modbus命令接收Timeout檢查
//----------------------------------------------------------------------------
void remoteFun (void)
	{
	uint16	crcTmp;

	if ( cnt != 0 && commTimeCount > RXTIMEOUT)
		{
		//communication response status check
		switch( commRxBuffer[1] )
			{
			case 0x03:
				modbus03();
				break;
			case 0x06:
				modbus06();
				break;
			case 0x10:
				modbus10();
				break;
			default:
				funError(ErrorFuncCode);
			}
		cnt = 0;
		commTimeCount = 0;
		return;
		}
	if ( cnt == 0 )
		{
		commTimeCount = 0;
		}
	}
//----------------------------------------------------------------------------
//Modbus function code 0x03 - read many register
//Modbus 0x03功能-讀取多個暫存器
//----------------------------------------------------------------------------
void modbus03 (void)
	{
	uint8	dptr,count;
	uint16	crcTmp;
	// 0  1  2  3  4  5  6  7
	//01 03 00 01 00 00 AA BB
	if (....)
		{
		//modbus 03錯誤檢查放置於此
		funError(ErrorData);
		return;
		}

	dptr = 0;
	count = commRxBuffer[5];
	while (count)
		{
		commTxBuffer[3+dptr+dptr] = modbusRAM[commRxBuffer[3] + dptr] >> 8;
		commTxBuffer[4+dptr+dptr] = modbusRAM[commRxBuffer[3] + dptr++];
		count--;
		}
	commTxBuffer[0] = commRxBuffer[0];
	commTxBuffer[1] = commRxBuffer[1];
	commTxBuffer[2] = dptr << 1;
	crcTmp = crcCHK( commTxBuffer , ( 3 + dptr + dptr ));
	commTxBuffer[ 3 + dptr + dptr ] = crcTmp;
	commTxBuffer[ 4 + dptr + dptr ] = crcTmp >> 8;

	commTxFunction( 5 + dptr + dptr );
	}
//----------------------------------------------------------------------------
//Modbus function code 0x06 - write one register
//Modbus 0x06功能-寫入單一個暫存器
//----------------------------------------------------------------------------
void modbus06 (void)
	{
	// 0  1  2  3  4  5  6  7
	//01 06 00 01 00 0F AA BB
	uint8	x;
	uint16	data;
	if (......)
		{
		//modbus 06錯誤檢查放置於此
		funError(ErrorAddress);
		return;
		}

	data = commRxBuffer[4];
	data <<= 8;
	data |= commRxBuffer[5];

	modbusRAM[commRxBuffer[3]] = data;

	if ( commRxBuffer[0] == 0xFF )
		{
		return;
		}
	for ( x = 0 ; x < cnt ; x++ )
		{
		commTxBuffer[x] = commRxBuffer[x];
		}

	commTxFunction(cnt);

	}
//----------------------------------------------------------------------------
//Modbus function code 0x10 - write many register
//Modbus 0x10功能-寫入多個暫存器
//----------------------------------------------------------------------------
void modbus10 (void)
	{
	// 0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11 12
	//01 10 00 01 00 02 04 00 0F 00 0F AA BB
	uint8	count,dptr;
	uint16	crcTmp;

	if (......)
		{
		//modbus 10錯誤檢查放置於此
		funError(ErrorAddress);
		return;
		}

	count = commRxBuffer[5];
	dptr = 0;

	while (count)
		{
		modbusRAM[commRxBuffer[3] + dptr] = (commRxBuffer[7+dptr+dptr])<<8;
		modbusRAM[commRxBuffer[3] + dptr] |= commRxBuffer[8+dptr+dptr++];
		count--;
		}

	if ( commRxBuffer[0] == 0xFF )
		{
		return;
		}

	for ( count=0; count<6; count++ )
		{
		commTxBuffer[count] = commRxBuffer[count];
		}

	crcTmp = crcCHK( commTxBuffer,6);

	commTxBuffer[6] = crcTmp;
	commTxBuffer[7] = crcTmp>>8;
	commTxFunction(8);
	}
//----------------------------------------------------------------------------
//Modbus Error Function response
//----------------------------------------------------------------------------
void funError ( uint8 exception )
	{

	uint16 crcTmp;

	if ( commRxBuffer[0] == 0xFF )
		{
		return;
		}

	commTxBuffer[0] = slaveID;
	commTxBuffer[1] = commRxBuffer[1] | 0x80;
	commTxBuffer[2] = exception;

	crcTmp = crcCHK( commTxBuffer , 3 );

	commTxBuffer[3] = crcTmp;
	commTxBuffer[4] = crcTmp >> 8;

	commTxFunction(5);
	}
//----------------------------------------------------------------------------
//Modbus CRC16 function check
//----------------------------------------------------------------------------
uint16 crcCHK ( uint8* data,uint8 length) 
	{
	int cnt; 
	unsigned int tmpCRC=0xFFFF; 

	while (length--) 
		{        
		tmpCRC ^= *data++; 

		for (cnt=0; cnt<8; cnt++)
			{                  
			if (tmpCRC & 0x01)

				tmpCRC = (tmpCRC >> 1) ^ 0xA001;
			else
				tmpCRC = tmpCRC >> 1;
			}

		}

	return tmpCRC; 
	}