第10章 Modbus RTU协议与编程
10.1
学习Modbus的快速方法
10.1.1 寄存器速记
作为初学者，你阅读Modbus协议时会发现它的概念别扭、重复、不易区分，比如线圈状态（Coil Status）、离散输入状态（Discrete Input Status）、保持寄存器（Holding Register）、输入寄存器（Input Register）。
回到事情的本质，在工业控制PLC领域，涉及数字信号的输入、输出，模拟信号的输入、输出，如下图所示：
对于软件开发而言：
①想得到按键输入状态时，读取到的是一位数据。
②想控制LED时，需要输出一位数据，想读取LED当前状态时，也可以读取到一位数据。
③想读取模拟信号时，读取到的是多位数据，比如16位数据。
④想输出模拟信号时，写入的是多位数据，比如16位数据；也可以读取“模拟量输出”的当前值。
在上图中，“数字量输入DI”是只读的，“数字量输出DO”是可读可写的，“模拟量输入AI”是只读的，“模拟量输出AO”是可读可写的。
上图里的“模拟量输入AI”、“模拟量输出AO”都表示“多位数值”，这些“多位数值”无需局限于只表示“模拟量”，也可以表示“多位数字量”。把AI、AO的含义扩展后，如下图所示：
对于软件开发而言：
①想得到按键输入状态时，读取到的是一位数据。
②想控制LED时，需要输出一位数据，想读取LED当前状态时，也可以读取到一位数据。
③想读取参数时，读取到的“输入寄存器”，得到多位数据，比如16位数据。
④想设置参数时，写的是“保存寄存器”，写入的是多位数据，比如16位数据；也可以读“保存寄存器”。
在电子系统里，无论是单bit的数值、多bit的数值，都是保存在寄存器里。根据上图，这些寄存器可以分为4类：
寄存器种类 | 说明 | 与PLC类比 | 举例说明 |
线圈状态 (Coil Status) | 输出端口。可设定端口输出状态，也可以读取该位的输出状态。可分为两种不同的执行状态，例如保持型或边沿触发型。 | DO (数字量 输出) | 电磁阀输出、 MOSFEF输出、LED显示等 |
离散输入状态 (Discrete Input Status) | 输入端口。通过外部设定改变输入状态，可读但不可以写。 | DI (数字量 输入) | 拨码开关、接近开关等 |
保持寄存器(Holding Register) | 输出参数或保持参数，控制器运行时被设定的某些参数，可读可写。 | AO (模拟量 输出) | 模拟量输出设定值，PID运行参数，变量阀输出大小，传感器报警上限下限 |
输入寄存器（Input Register） | 输入参数。控制器运行时从外部设备获得的参数，但可读不可写。 | AI （模拟量 输入) | 模拟量输入 |
在Modbus中，多位操作时都是16位（2bytes）的，总结如下：
①bit操作涉及的寄存器有2类：线圈状态（可读可写）、离散输入状态（只读）。
②16bit操作的寄存器有2类：保存寄存器（可读可写）、输入寄存器（只读）。
一个设备里，可能有多个“线圈状态”、多个“离散输入状态”、多个“保存寄存器”、多个“输入寄存器”。怎么分辨某类寄存器中的某一个？它们有“寄存器地址”，如下图所示：
寄存器种类 | PLC寄存器 地址范围 | Modbus寄存器 地址范围 | 简称 | 读写 状态 |
线圈状态 | 00001~09999 | 0000H~FFFFH | 0x | 可读可写 |
离散输入状态 | 10001~19999 | 0000H~FFFFH | 1x | 只读 |
保持寄存器 | 40001~49999 | 0000H~FFFFH | 4x | 可读可写 |
输入寄存器 | 30001~39999 | 0000H~FFFFH | 3x | 只读 |
在上表中，“线圈状态”的寄存器N、“离散输入状态”的寄存器N，是两个不同的寄存器。
简单记忆方法：
①偶数类的寄存器”是可读可写的，比如“0x”和“4x”。
②“奇数类的寄存器”是只读的，比如“1x”和“3x”。
③“0x”和“1x”是bit寄存器。
④“3x”和“4x”是16bit寄存器。
10.1.2 协议速记
Modbus是一主多从的协议，如下图所示：
主控发出的数据里，必定含有如下信息：
①设备地址：你要访问从设备1，还是访问从设备2。
②访问哪类寄存器，是读还是写，只访问1个寄存器，还是多个寄存器：这被称为功能码。
③起始寄存器地址、寄存器数量：这在数据里定义。
④为了保证数据传输的可靠，还附带有CRC检验码。
以Modbus RTU协议为例，主控发出的数据包格式如下：
功能代码有哪些？常用的功能码如下：
①读线圈状态（01）
②读离散输入状态（02）
③写单个线圈（05）、写多个线圈（15）
④读保持寄存器（03）
⑤读输入寄存器（04）
⑥写单个保存寄存器（06）、写多个保存寄存器（16）
数据的格式，由功能代码确定。以“读线圈状态”为例，主控发出的请求、从设备返回的响应包，或者从设备返回的错误包，格式如下：
上图中，寄存器起始地址（“Starting Address”）是16位的，先传输高字节，再传输低字节。线圈数量（“Quantiti of coils”）也是16位的，先传输高字节，再传输低字节。
响应包回复多少个数据呢（上图中N为多少）？N= Quantiti of coils / 8，如果余数不等于0，则N再加1。比如Quantiti of coils=9，则返回2个字节。
在《Modbus_Application_Protocol_V1_1b3.pdf》中， 列出了如下功能表。根据次表，在结合《5.5 Moubus功能码详解》的示例，就可以对Modbus RTU协议有很好的理解了。
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