多平台下Modbus通信协议库的设计（一）

1.背景

1.1.范围

MODBUS 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议， 它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。

自从 1979 年出现工业串行链路的事实标准以来， MODBUS 使成千上万的自动化设备能够通信。

目前，继续增加对简单而雅观的 MODBUS 结构支持。互联网组织能够使 TCP/IP 栈上的保留系统端口 502 访问 MODBUS。

MODBUS 是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。MODBUS 功能码是 MODBUS请求/应答 PDU 的元素。

1.2.缩略语

ADU 应用数据单元

HDLC 高级数据链路控制

HMI 人机界面

IETF 因特网工程工作组

I/O 输入/输出设备

IP 互连网协议

MAC 介质访问控制

MB MODBUS 协议

MBAP  MODBUS应用协议

PDU 协议数据单元

PLC 可编程逻辑控制器

TCP 传输控制协议

1.3.MODBUS体系结构实例

每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用 MODBUS协议来启动远程操作。

在基于串行链路和以太 TCP/IP 网络的 MODBUS 上可以进行相同通信。

一些网关允许在几种使用 MODBUS 协议的总线或网络之间进行通信。

1.4.协议描述

MODBUS 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU） 。特定总线或网络上的 MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。

启动 MODBUS 事务处理的客户机创建 MODBUS 应用数据单元。 功能码向服务器指示将执行哪种操作。

MODBUS 协议建立了客户机启动的请求格式。

用一个字节编码 MODBUS 数据单元的功能码域。有效的码字范围是十进制 1-255（128-255 为异常响应保留） 。当从客户机向服务器设备发送报文时，功能码域通知服务器执行哪种操作。

向一些功能码加入子功能码来定义多项操作。

从客户机向服务器设备发送的报文数据域包括附加信息，服务器使用这个信息执行功能码定义的操作。这个域还包括离散项目和寄存器地址、处理的项目数量以及域中的实际数据字节数。

在某种请求中，数据域可以是不存在的（0 长度） ，在此情况下服务器不需要任何附加信息。功能码仅说明操作。

如果在一个正确接收的 MODBUS ADU 中，不出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么服务器至客户机的响应数据域包括请求数据。如果出现与请求 MODBUS 功能有关的差错，那么域包括一个异常码，服务器应用能够使用这个域确定下一个执行的操作。

例如， 客户机能够读一组离散量输出或输入的开/关状态， 或者客户机能够读/写一组寄存器的数据内容。

当服务器对客户机响应时，它使用功能码域来指示正常（无差错）响应或者出现某种差错（称为异常响应） 。对于一个正常响应来说，服务器仅对原始功能码响应。

对于异常响应，服务器返回一个与原始功能码等同的码，设置该原始功能码的最高有效位为逻辑 1。

注释：需要管理超时，以便明确地等待可能不会出现的应答。

串行链路上第一个MODBUS执行的长度约束限制了MODBUS PDU大小 （最大RS485ADU=256字节） 。

因此， 对串行链路通信来说，MODBUS PDU=256-服务器地址（1 字节）-CRC（2 字节）＝253字节。

从而：

RS232 / RS485 ADU = 253 字节+服务器地址(1 byte) + CRC (2 字节) = 256  字节。

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

MODBUS 协议定义了三种 PDU。它们是：

MODBUS 请求 ，modbus_request

MODBUS 响应 ，modbus_reply

MODBUS 异常响应 ，modbus_reply_exception

1.5.数据模型

MODBUS 以一系列具有不同特征表格上的数据模型为基础。四个基本表格为：

基本表格	对象类型	访问类型	内容
离散量输入	单个比特	只读	I/O 系统提供这种类型数据
线圈	单个比特	读写	通过应用程序改变这种类型数据
输入寄存器	16-比特字	只读	I/O 系统提供这种类型数据
保持寄存器	16-比特字	读写	通过应用程序改变这种类型数据

1.6.设计背景

因为公司发展需要需要研发一个基于ARM9芯片的中央控制器（如下：设计架构图和硬件设计图），可以用来控制前端设备，并与云平台和用户进行交互。其中一个重要的功能就是要求设备设备能采集前端设备（表示在控制器之前的所有设计，就是前段设备）的信息，同时也可以对前端设备采集来的信息进行反馈控制。经过市场研究和调查，现在采集设备485通信用的比较多，而且大多设备都支持MODBUS通信协议，因此开发一个Modbus协议库，越来越有必要。

设计架构图：

硬件结构设计：

在我们进行软件设计的同时，也同步进行硬件的设计，但是一些前段设备，我们都是从外面的产家进行购买的，包括气体传感器（如CO、CH4等）、电量采集、流量采集（水流、气体等）的采集，控制一类的主要有灯光控制、门禁、水泵等。同时，如果有相关的同行，或者产家也可以和我联系，我们正在进行采购测试的，如果合适的话，我们也可以建立长期的合作伙伴。

2.功能码

2.1.功能码分类

有三类 MODBUS 功能码。它们是：

公共功能码

• 是较好地被定义的功能码，
• 保证是唯一的，
• MODBUS 组织可改变的，
• 公开证明的，
• 具有可用的一致性测试，
• MB IETF RFC 中证明的，
• 包含已被定义的公共指配功能码和未来使用的未指配保留供功能码。

用户定义功能码

• 有两个用户定义功能码的定义范围，即 65 至 72 和十进制 100 至 110。
• 用户没有 MODBUS 组织的任何批准就可以选择和实现一个功能码
• 不能保证被选功能码的使用是唯一的。
• 如果用户要重新设置功能作为一个公共功能码，那么用户必须启动 RFC，以便将改变引入
• 公共分类中，并且指配一个新的公共功能码。

保留功能码

• 一些公司对传统产品通常使用的功能码，并且对公共使用是无效的功能码。

2.2.公共功能码定义

3.MODBUS通信模块设计

3.1.模块概述

Modbus通信模块是多功能控制器中必不可少的一个功能，有了它才能使外部设备（如除湿装置、荧光测温、温湿度检测、六氟化硫检测）与COM控制器的进行数据传输、远程控制。因此Modbus通信协议的地位自然不言而喻。

3.2.设计目标

实现对外设数据的读取和控制功能。

3.3.设计原则

尽量做到模块的分层设计。

3.4.运行环境

操作系统：Linux

3.5.模块结构设计

4.模块功能设计

4.1.发送组包功能设计

4.2.接收解包功能设计

4.3.串口管理模块设计

4.3.1.计算机串口的引脚说明

序号	信号名称	符号	流向	功能
2	发送数据	TXD	DTE→DCE	DTE发送串行数据
3	接收数据	RXD	DTE←DCE	DTE 接收串行数据
4	请求发送	RTS	DTE→DCE	DTE 请求 DCE 将线路切换到发送方式
5	允许发送	CTS	DTE←DCE	DCE 告诉 DTE 线路已接通可以发送数据
6	数据设备准备好	DSR	DTE←DCE	DCE 准备好
7	信号地			信号公共地
8	载波检测	DCD	DTE←DCE	表示 DCE 接收到远程载波
20	数据终端准备好	DTR	DTE→DCE	DTE 准备好
22	振铃指示	RI	DTE←DCE	表示 DCE 与线路接通，出现振铃

 4.3.2.串口操作的头文件定义

#include <stdio.h>      /*标准输入输出定义*/

#include <stdlib.h>     /*标准函数库定义*/

#include <unistd.h>     /*Unix 标准函数定义*/

#include <sys/types.h>  /*数据类型，比如一些XXX_t的那种*/

#include<sys/stat.h>   /*定义了一些返回值的结构，没看明白*/

#include<fcntl.h>      /*文件控制定义*/

#include<termios.h>    /*PPSIX 终端控制定义*/

#include<errno.h>      /*错误号定义*/

4.3.3、串口设置

（1）、串口文件位于/dev目录下，而且以tty开飞的，

其中：串口一 为 /dev/ttyS0，串口二 为 /dev/ttyS1，等等。其中/dev/ttyUSB* 表示USB转串口。如：

（2）、串口的打开和设置

打开串口是通过使用标准的文件打开函数操作：

int fd;

/*以读写方式打开串口*/

fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR);

if (- == fd){

/* 不能打开串口一*/

MFS_LOG_TRACE_ERR(" 提示错误！");

}

(3)、设置串口

最基本的设置串口包括波特率设置，效验位和停止位设置，串口的设置主要是设置 struct termios 结构体的各成员值。

struct termio

{   

unsigned short  c_iflag; /* 输入模式标志 */

    unsigned short  c_oflag;     /* 输出模式标志 */

    unsigned short  c_cflag;     /* 控制模式标志*/  

    unsigned short  c_lflag;     /* local mode flags */  

    unsigned char    c_line;           /* line discipline */

    unsigned char    c_cc[NCC];    /* control characters */

};

（4）、串口的读写

如果不是开发终端之类的，只是串口传输数据，而不需要串口来处理，那么使用原始模式(Raw Mode)方式来通讯。

发送数据：

char  buffer[];

int    Length;

int    nByte;

nByte = write(fd, buffer ,Length)

读取串口数据：

使用文件操作read函数读取，如果设置为原始模式(Raw Mode)传输数据，那么read函数返回的字符数是实际串口收到的字符数。

可以使用操作文件的函数来实现异步读取，如fcntl，或者select等来操作。

char  buff[];

int    Len;

int  readByte = read(fd,buff,Len);

关闭串口：

关闭串口就是关闭文件。

close(fd);

4.4.接口设计

Modbus通信协议设计：

/************************外部接口************************************/

/*发送组包*/

/*参数说明：

Modbus_t *ctx ： 操作设备的简要信息

modbus_msg *msg：modbus消息结构体，指需要进行打包或解包的信息

*/

 int  modbus_pack(modbus_t  *ctx,msg_src *src ,modbus_msg  *msg);//pack *msg);

/*参数说明：

Modbus_t *ctx ： 操作设备的简要信息

unsigned int *src：数据的目标地址

modbus_msg *msg：modbus消息结构体，指需要进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上下文信息结构体*/

typedef struct modbus_t{

modbus_type_t  type;    //modbus的通信类型，rtu、ascii、tcp等

int slave;    //客户端地址

int *s;    //表示实例化之后的串口编号

unsigned int devicecode;    //设备编码

unsigned int functiontype;    //功能类别的编码

struct timeval timeout;    //延时

char *devicename;    //设备名称

modbus_error_recovery_mode error_recovery;    //错误的恢复模式

int debug;

};

说明：设备类别编码优先级大于功能类别编码，解决部分设备可能由于更换产家等原因导致功能相同，但是数据协议不同的情况

/*Modbus消息结构体*/

typedef struct modbus_msg{

 uint8_t   function_code;    //modbus的功能码

int start_addr;    //数据的起始地址

int data_length;    //数据长度（数据个数）

int write_data;    //写入数据的值

uint8_t  *s_dest;    //ｓｍａｌｌ　ｄｅｓｔ

uint16_t *dest;    //线圈、离散量数据

uint16_t *regisdate;    //寄存器操作的数据

}

/*********************内部接口**************************************/

//源消息结构体

typedef struct  _modbus_src_t

{

 uint8_t  *msg_src;    //数组的地址

 int  msg_len;    //数组的长度

}msg_src;

typedef enum

{

    MODBUS_ERROR_RECOVERY_NONE          = ,

    MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK          = (<<),

    MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL      = (<<)

} modbus_error_recovery_mode;

串口管理模块设计：

/*************************接口的设计*************************/

typedef struct  _dts

{

serial_mode  serial_mode;    //串口的通信类型，RS485、ＲＳ２３２等

int s;    //表示实例化之后的串口编号

unsigned int devicecode;    //设备编码

struct timeval timeout;    //延时

char *devicename;    //设备名称

int error_recovery;    //错误的恢复模式

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);

//串口的结构设计

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=,

SERIAL_RS485

}serial_mode;