前面我們已經對Modbus的基本事務作了說明，也據此設計了我們將要實現的主從站的操作流程。這其中與Modbus直接相關的就是Modbus消息幀的生成。Modbus消息幀也是實現Modbus通訊協議的根本。

1、Modbus消息幀分析

MODBUS協議在不同的物理鏈路上的消息幀有一些差異，但我們分析一下就會發現，在這些不同的消息幀中具有一下相同的部分，這對我們實現統一的數據操作非常重要，具體描述如下：

（1）、簡單協議數據單元

MODBUS協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDU）。簡單協議數據單元的結構如下：

PDU是一個與具體的傳輸網絡無關的部分，包含功能碼和數據。對于特定總線或網絡上的 MODBUS 協議只是在PDU的基礎上在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域。

數據單元部分的開發是最基本的部分，主要是2各方面的類容：一是生成客戶端（主站）訪問服務器（從站）的命令部分；二是生成服務器（從站）響應客戶端（主站）回復部分。

（2）、RTU的應用數據單元

對于在串行鏈路上運行的Modbus協議，其應用數據單元（ADU）是在PDU的基礎上，在前面加上地址域，后面加上數據校驗。格式如下圖所示：

地址域就是所訪問從站的地址，為一個8位無符號數，取值0-255，但0和255有固定含義不能使用。CRC校驗采用的是CRC16校驗方式。

（3）、TCP的應用數據單元

在以太網鏈路上運行的Modbus協議，其應用數據單元（ADU）是在PDU的基礎上添加上MBAP報文頭形成的，具體格式如下圖：

對于MBAP 報文頭，包括下列域：

域	長度	描述	客戶機	服務器
事務元標識符	2 個字節	MODBUS 請求/響應事務處理的識別碼	客戶機啟動	服務器從接收的請求中重新復制
協議標識符	2 個字節	0=MODBUS 協議	客戶機啟動	服務器從接收的請求中重新復制
長度	2 個字節	以下字節的數量	客戶機啟動（請求）	服務器（響應）啟動
單元標識符	1 個字節	串行鏈路或其它總線上連接的遠程從站的識別碼	客戶機啟動	服務器從接收的請求中重新復制

從上表中可知報文頭為 7 個字節長：

事務處理標識符：用于事務處理配對。在響應中，MODBUS 服務器復制請求的事務處理標識符。

協議標識符：用于系統內的多路復用。通過值 0 識別 MODBUS 協議。

長度：長度域是下一個域的字節數，包括單元標識符和數據域。

單元標識符：為了系統內路由，使用這個域。專門用于通過以太網TCP-IP 網絡和MODBUS串行鏈路之間的網關對MODBUS或MODBUS+串行鏈路從站的通信。說的簡單點就是串行鏈路中的地址域。MODBUS客戶機在請求中設置這個域，在響應中服務器必須利用相同的值返回這個域。

2、數據幀的具體組成分析

從以上對簡單協議基本數據元、RTU應用數據單元和TCP應用數據單元報文格式的分析，我們發現對于基本數據單元部分已一致的，所以我們可以考慮來分層封裝協議操作部分：

最開始實現Modbus基本數據單元，這是數據公用部分與具體的應用無關，只需要封裝一次，對于這部分的開發只需要按照Modbus的標準協議來開發就好，本次我們計劃實現的功能有8個：

功能碼	名稱	實現	描述
0x01	讀線圈	是	對可讀寫型的狀態量進行讀取
0x02	讀離散輸入	是	對只讀型的狀態量進行讀取
0x03	讀保持寄存器	是	對可讀寫型的寄存器量進行讀取
0x04	讀輸入寄存器	是	對只讀型的寄存器量進行讀取
0x05	寫單個線圈	是	對單個的讀寫型的狀態量進行寫入
0x06	寫單個寄存器	是	對單個的讀寫型的寄存器量進行寫入
0x0F	寫多個線圈	是	對多個的讀寫型的狀態量進行寫入
0x10	寫多個寄存器	是	對多個的讀寫型的寄存器量進行寫入

這8個也是Modbus協議所定義的最主要的功能，現在對這幾種功能碼的報文格式描述如下：

（1）讀線圈0x01

讀線圈就是都一種可以寫的開關量，因為Modbus協議起源于PLC應用，而線圈是對PLC的DO輸出的稱呼，一般適用于主站對從站下達操作命令。讀這種具有讀寫功能的狀態量的數據格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（2）讀離散輸入0x02

讀狀態輸入是讀取一種只讀開關量信號，對應于PLC中的數字輸入量。讀取這種只讀型開關輸入量的格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（3）讀保持寄存器0x03

保持寄存器就是指可以讀寫的16位數據，通過單個或多個保持寄存器可以用來表示各種數據，如8位整數、16為整數、32位整數、64位整數以及單雙精度浮點數等。讀取保持寄存器的報文格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（4）讀輸入寄存器0x04

輸入寄存器是一種只讀形式的16位數據。通過單個或多個輸入寄存器可以表示8位整數、16為整數、32位整數、64位整數以及單雙精度浮點數等。讀取輸入寄存器的報文格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+數量。

（5）寫單個線圈0x05

寫單個線圈量就是對單個的可讀寫的開關量進行操作，但是其并非是直接寫“0”或者“1”，而是在需要寫“1”時發送0xFF00；而在需要寫“0”時發送0x0000，其具體的報文格式如下：

其下發的命令格式為：域名+功能碼+輸出地址+輸出值。命令的具體內容與讀操作有區別但，格式卻是完全一樣，在編程時實際讀和寫可以封裝在一起。

（6）寫單個寄存器0x06

寫單個寄存器就是對單個的保持寄存器進行操作，數據的格式依然是一樣的，實際應用中只適用于對16位整型數據的操作，對于浮點數等則不可以。

其下發的命令格式為：域名+功能碼+輸出地址+輸出值。命令的具體內容與讀操作有區別但，格式卻是完全一樣，在編程時實際讀和寫可以封裝在一起。

（7）寫多個線圈0x0F

寫多個線圈的操作對象與寫單個線圈是完全一樣的，不同的是數量和操作值，特別是值，寫“1”就是“1”，寫“0”就是 “0”，這是與寫單個線圈的區別。

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+輸出數量+字節數+輸出值。命令報文與前面的幾種讀寫操作有較大的區別，必須要單獨處理。

（8）寫多個寄存器0x10

寫多個寄存器的就是對多個可讀寫寄存器同時進行操作，數據報文的格式與寫多個線圈是一致的。

其下發的命令格式為：域名+功能碼+起始地址+輸出數量+字節數+輸出值。

3、基本數據單元的編程

經過上面的分析，我們發現不論是在什么樣的物理鏈路上實現的應用數據，器基本數據段都是相同的。其實加上域名段的格式也是相同的，所以我們就將

域名+PDU一起作為最基本的數據單元來實現。

對于基本數據單元的實現由分為2種情況：一是作為主站（客戶端）時，對從站（服務器）的下發命令；二是作為從站（服務器）時，對主站（客戶端）命令的響應。所以我們將這兩種情況分別封裝為2個基礎函數：

（1）、作為RTU主站（TCP客戶端）時，生成讀寫RTU從站（TCP服務器）對象的命令：

uint16_t GenerateReadWriteCommand(ObjAccessInfo objInfo,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *commandBytes)

參數分別是PDU單元的基本信息，寫對象的對應數據，以及生成的命令字節。而返回值則是生成的命令的長度。

（2）、作為從站(服務器)時，生成主站讀訪問的響應。對于響應因為寫操作的響應實際上就是復制主站（客戶端）的命令的一部分，所以我們實際需要生成的響應是包括0x01、0x02、0x03、0x04功能碼的情形。

uint16_t GenerateMasterAccessRespond(uint8_t *receivedMessage,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *respondBytes)

參數分別是接收到的信息，讀取的對象的數據，以及返回的響應消息。而返回值則是返回的響應消息的長度。

4、RTU應用數據單元的編程

對于RTU應用數據單元來說，其報文格式就是：“域名+PDU+CRC”，而域名+PDU我們在上一節中已經實現了，所以要實現RTU的數據單元實際上我們只需要加上CRC校驗就已經完成了。

對于RTU數據單元的實現由分為2種情況：一是作為主站時，對從站的下發命令；二是作為從站時，對主站命令的響應。所以我們將這兩種情況分別封裝為2個基礎函數：

（1）、作為RTU主站時，生成讀寫RTU從站對象的命令：

/*生成讀寫從站數據對象的命令,命令長度包括2個校驗字節*/

uint16_t SyntheticReadWriteSlaveCommand(ObjAccessInfo slaveInfo,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *commandBytes)

參數分別是從站基本信息，下發的數據列表，以及最終生成的命令數組。返回值是是命令的長度。

（2）、作為從站時，生成主站讀訪問的響應：

/*生成從站應答主站的響應*/

uint16_t SyntheticSlaveAccessRespond(uint8_t *receivedMessage,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *respondBytes)

參數分別是接收到的信息，返回的數據列表，生成的響應信息列表。返回值是響應信息列表的長度。

5、TCP應用數據單元的編程

而對于TCP應用數據單元來說，與RTU類式，起報文格式是：“MBAP頭+PDU”，而PDU單元就是前面定義的，所以只需要加上MBAP頭部就可以了，事實上MBAP頭部的實現格式是固定的。

對于TCP應用數據單元的實現同樣分為2中情況：一是作為客戶端時，對服務器的下發命令；二是作為服務器時，對客戶端命令的響應。所以我們將這兩種情況分別封裝為2個基礎函數：

（1）、作為TCP客戶端時，生成讀寫TCP服務器對象的命令：

/*生成讀寫服務器對象的命令*/

uint16_t SyntheticReadWriteTCPServerCommand(ObjAccessInfo objInfo,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *commandBytes)

（2）、作為(服務器時，生成客戶端讀寫訪問的響應：

/*合成對服務器訪問的響應,返回值為命令長度*/

uint16_t SyntheticServerAccessRespond(uint8_t *receivedMessage,bool *statusList,uint16_t *registerList,uint8_t *respondBytes)

6、結束語

其實到這里我們對Modbus基本協議已經基本實現，甚至使用這些基本操作也能實現Modbus的通訊。事實上很多人在應用寫的Modbus通訊協議比這還要簡單，也能實現部分的Modbus通訊功能。當然這不是我們的目標，否則就不需要專門開發庫了，我們要進一步封裝，讓其更通用也更易用才是我們需要的。

源碼網址是：https://github.com/foxclever/Modbus

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Modbus协议栈开发笔记之二：Modbus消息帧的生成的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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