工控领域协议之Modbus
Modbus 是一种通信协议，用于工业自动化领域中的设备之间的通信。它是一种串行通信协议，广泛应用于连接不同设备、传感器和执行器的工业控制系统。 Modbus 在工业控制系统、自动化设备、能源管理系统等领域得到广泛应用。
Modbus 协议的基本特点：
通信方式： Modbus 支持串行通信和以太网通信。串行通信通常使用 RS-232、RS-485 或 RS-422 等标准。
协议类型： Modbus 协议有不同的变体，包括 Modbus RTU（二进制形式）和 Modbus ASCII（ASCII 文本形式）。此外，基于以太网的 Modbus TCP/IP 也是一种常见的变体。
数据帧： Modbus 通信使用数据帧（Frame）进行信息传递。帧包括地址、功能码、数据和错误检测字段。
功能码： Modbus 定义了一系列功能码，用于执行不同的操作。例如，读取保持寄存器、写入单个寄存器等。
寄存器： 数据在 Modbus 中以寄存器的形式存储。有输入寄存器、保持寄存器等不同类型。
主从结构： Modbus 通信通常涉及到主从结构。主设备（Master）发起通信请求，而从设备（Slave）响应请求。
数据帧
Modbus 通信使用数据帧（Frame）进行信息传递。帧包括地址、功能码、数据和错误检测字段。
网络架构
每种类型的设备(PLC, HMI，控制面板，驱动程序，运动控制，I/O设备…)都可以使用MODBUS协议发起远程操作。
同样的通信可以在串行线上完成，也可以在以太网TCP/IP网络上完成。网关允许使用MODBUS协议在几种类型的总线或网络之间进行通信
MODBUS协议定义了三个PDUs.
MODBUS Request PDU, mb_req_pdu
MODBUS Response PDU, mb_rsp_pdu
MODBUS Exception Response PDU, mb_excep_rsp_pdu
Modbus主从通信
Modbus 通信通常涉及到一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）。以下是建立 Modbus 通信连接的一般步骤：
主设备（Master）的操作：
确定通信参数： 主设备需要确定与从设备通信时所需的参数，包括通信端口、波特率、奇偶校验等。
选择通信方式： 主设备可以选择串行通信（RS-232、RS-485、RS-422等）或以太网通信（Modbus TCP/IP）。
创建 Modbus 请求帧： 主设备通过构建包含适当功能码和数据的 Modbus 请求帧来发起通信请求。功能码指示所需的操作，例如读取寄存器、写入寄存器等。
发送请求帧： 主设备通过选定的通信方式将请求帧发送到从设备。
等待响应： 主设备等待从设备的响应。响应帧包含所请求的数据或操作的结果。
解析响应： 主设备解析从设备发送的响应帧，提取所需的信息。
从设备（Slave）的操作：
接收请求帧： 从设备通过选定的通信方式接收主设备发送的请求帧。
解析请求： 从设备解析主设备发送的请求帧，确定所需执行的操作和相关参数。
执行操作： 从设备执行主设备请求的操作，例如读取寄存器、写入寄存器等。
创建响应帧： 从设备根据执行结果创建包含响应数据的 Modbus 响应帧。
发送响应帧： 从设备通过选定的通信方式将响应帧发送回主设备。
在通信过程中，主从设备都应该能够处理可能的错误情况。这可能包括超时、通信中断、校验错误等。
modbus协议的主从通信
在 Linux 下使用 C/C++ 实现 Modbus 主从通信涉及到底层的串口或网络通信编程，以及构建 Modbus 请求和响应帧的操作。以下是一个简单的示例，使用串口通信（RS-485）实现 Modbus 主从通信，主设备读取从设备的保持寄存器的例子.
安装 Modbus 库
sudo apt-get install libmodbus-dev
Modbus 从设备代码
从设备代码示例（modbus_slave.cpp)
#include <modbus/modbus.h>int main() {modbus_t *ctx;uint16_t holding_registers[2] = {0x1234, 0xABCD};// Create a new context with Modbus RTU over RS-485ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttyUSB0", 9600, 'N', 8, 1);if (ctx == NULL) {fprintf(stderr, "Unable to create Modbus context\n");return -1;}// Set the Modbus device IDmodbus_set_slave(ctx, 1);// Start the Modbus server (listen for requests)modbus_mapping_t *mb_mapping = modbus_mapping_new(0, 0, 2, 0);modbus_mapping_set_base_address(mb_mapping, 0, 0);modbus_mapping_set_pointer(ctx, mb_mapping);while (1) {// Handle Modbus requestsmodbus_receive(ctx, mb_mapping);modbus_reply(ctx, mb_mapping, 0x01); // 0x01 is the Modbus function code for reading holding registers}// Clean upmodbus_mapping_free(mb_mapping);modbus_close(ctx);modbus_free(ctx);return 0;
}Modbus 主设备代码
主设备代码示例（modbus_master.cpp）
#include <modbus/modbus.h>int main() {modbus_t *ctx;uint16_t holding_registers[2];// Create a new context with Modbus RTU over RS-485ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttyUSB0", 9600, 'N', 8, 1);if (ctx == NULL) {fprintf(stderr, "Unable to create Modbus context\n");return -1;}// Set the Modbus device IDmodbus_set_slave(ctx, 1);// Connect to the Modbus serverif (modbus_connect(ctx) == -1) {fprintf(stderr, "Modbus connection failed: %s\n", modbus_strerror(errno));modbus_free(ctx);return -1;}// Read holding registers from the Modbus serverint num_registers = modbus_read_registers(ctx, 0, 2, holding_registers);if (num_registers == -1) {fprintf(stderr, "Modbus read failed: %s\n", modbus_strerror(errno));} else {printf("Holding Register 0: 0x%04X\n", holding_registers[0]);printf("Holding Register 1: 0x%04X\n", holding_registers[1]);}// Disconnect and clean upmodbus_close(ctx);modbus_free(ctx);return 0;
}编译和运行
# 编译从设备代码
g++ modbus_slave.cpp -o modbus_slave -lmodbus# 编译主设备代码
g++ modbus_master.cpp -o modbus_master -lmodbus# 运行从设备
./modbus_slave# 在另一个终端运行主设备
./modbus_master实际中需要根据具体设备的 Modbus 协议文档和通信方式进行适当的配置和编码。同时，对于网络通信，可以使用 Modbus TCP/IP，而不是串口通信。