前言

在之前的兩篇文章中，我們講解了串口的基礎(chǔ)知識(shí)和在安卓中使用串口通信的方法，如果還沒(méi)看過(guò)之前文章的同學(xué)們，建議先看一遍，不然可能會(huì)不理解這篇文章講的某些內(nèi)容。

事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，我們很少會(huì)直接使用串口通信，一般都會(huì)使用到 Modbus。

因?yàn)檎缥疑掀恼滤f(shuō)，如果直接使用串口通信的話(huà)，需要我們自定義數(shù)據(jù)層協(xié)議，或者干脆就直接發(fā)送一個(gè) byte 的數(shù)字進(jìn)行通信，這顯然是不方便的，也不安全的。

例如我上篇提到過(guò)的一個(gè)問(wèn)題，我所使用的驅(qū)動(dòng)版廠(chǎng)商定義的協(xié)議中沒(méi)有定義數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（或者在數(shù)據(jù)中附上數(shù)據(jù)長(zhǎng)度），也沒(méi)有定義停止符號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)“沾包”或“分包”情況時(shí)不好區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)。

并且自定義協(xié)議還需要自己去解析并處理數(shù)據(jù)，使用起來(lái)不是那么方便。

所以，我司在嘗試過(guò)直接使用串口通信后，最終還是決定放棄直接使用串口通信，而是改用 Modbus 通信。

本篇文章屬于系列文章的擴(kuò)展篇，我們將講解 Modbus 的基礎(chǔ)知識(shí)以及如何在安卓中使用 Modbus。

本文中部分圖表來(lái)自文末標(biāo)注的參考資料

Modbs 基礎(chǔ)

簡(jiǎn)介

Modbus 是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，由 Modicon 公司在 1979 年發(fā)布，是為了解決 PLC 通信而研發(fā)的協(xié)議。

因?yàn)?Modbus 是開(kāi)源的且無(wú)著作權(quán)要求、易于部署維護(hù)、可靠性強(qiáng)的特性，所以 Modbus 已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議事實(shí)上的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。

由于 Modbus 定義的只是應(yīng)用層的報(bào)文協(xié)議，所以它可以使用串口（RS232、RS485）、以太網(wǎng)作為物理層接口。

Modbus 分為三種傳輸模式：RTU、ASII、TCP。

在使用 Modbus 時(shí)，所有設(shè)備的傳輸模式必須相同。

RTU 使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸、ASCII 使用 ASCII 字符傳輸。

使用串口連接時(shí)支持 RTU 和 ASCII 模式。

使用以太網(wǎng)連接時(shí)支持 TCP 模式。

因?yàn)楸鞠盗形恼碌闹攸c(diǎn)在于講解串口通信，所以我們不過(guò)多講解 TCP 模式，同時(shí)，由于 ASCII 模式在目前實(shí)際應(yīng)用中比較少，我們一般都是使用的 RTU 模式。故，我們會(huì)重點(diǎn)講解 Modbus RTU。如果對(duì)其他傳輸模式感興趣的可以閱讀參考資料 4 的文檔。

額外說(shuō)明一下，Modbus 和 RS232、RS485 的區(qū)別。

RS232、RS485定義的是物理層標(biāo)準(zhǔn)，即接線(xiàn)方式，電平高低，數(shù)據(jù)傳輸方式等。

而 Modbus 是應(yīng)用層協(xié)議，即定義了上述物理層傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)應(yīng)該以什么樣的格式去解析。

Modbus RTU

使用串口作為物理層協(xié)議時(shí)，通常采用的是 RS485 。

而我們?cè)诘谝黄恼戮驼f(shuō)過(guò)，RS485 支持一主多從多個(gè)設(shè)備同時(shí)連接，所以使用 RS485 的 Modbus 同樣支持多個(gè)設(shè)備連接。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載情況下，支持一個(gè)主機(jī)連接最多32個(gè)從機(jī)。并且在連接設(shè)備時(shí)，只能使用菊花鏈連接，不能使用星型網(wǎng)絡(luò)：

另外，Modbus 是一種請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，即只能通過(guò)主站（主機(jī)）發(fā)送請(qǐng)求給從站后，從站響應(yīng)數(shù)據(jù)給主站，而不能從站直接主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給主站。

儲(chǔ)存區(qū)數(shù)據(jù)模型

在 Modbus 中定義了4種不同的數(shù)據(jù)模型，具體如下：

其中 線(xiàn)圈 和 離散量輸入 又可以稱(chēng)為 輸出線(xiàn)圈 和 輸入線(xiàn)圈。

它們的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是一個(gè) bit，即只能表示 1 或 0，表現(xiàn)在程序中就是一個(gè) Boolean 類(lèi)型的數(shù)據(jù)。對(duì)于安卓程序員來(lái)說(shuō)，可能會(huì)疑惑啥是線(xiàn)圈，其實(shí)這兩個(gè)模型之所以叫做線(xiàn)圈是因?yàn)?Modbus 是為了 PLC 通信而編寫(xiě)的協(xié)議，而在 PLC 中一些物理設(shè)備（例如繼電器）只有兩種狀態(tài)：斷開(kāi)與接通（即 0 或 1 ，或者 Boolean 的 false 與 true ），這些物理設(shè)備的狀態(tài)切換一般都是依賴(lài)于線(xiàn)圈的通/斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在 Modbus 中就將這種類(lèi)型的數(shù)據(jù)稱(chēng)為 線(xiàn)圈。

而 輸入寄存器 和 保持寄存器 又可以稱(chēng)為 輸入寄存器 和 輸出寄存器。

它們的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是一個(gè) word，即 16 bit，2 byte，表現(xiàn)在程序中可以看成一個(gè) Int 類(lèi)型。

顯然，在同一個(gè)設(shè)備中不同的數(shù)據(jù)模型肯定不止一個(gè)可用的數(shù)據(jù)區(qū)塊，理論上來(lái)說(shuō)，每種數(shù)據(jù)模型最大可以定義 65536 個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊。

因此，每種數(shù)據(jù)模型的地址定義為如下：

可以看到，雖然我們上面說(shuō)每種模型理論上支持 65536 個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊，但是實(shí)際使用中每種數(shù)據(jù)模型一般都只會(huì)定義最大 10000 個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊。

Modbus 允許將四種不同的數(shù)據(jù)模型存放在不同的數(shù)據(jù)區(qū)塊，這樣使用不同的功能碼（下面會(huì)說(shuō)什么是功能碼）讀到的是不同的數(shù)據(jù)：

同時(shí)，Modbus 也可以將不同的數(shù)據(jù)模型映射到同一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊中，這樣一來(lái)，不同的功能碼讀取到的可能是相同的數(shù)據(jù)：

功能碼

在上一節(jié)我們介紹了儲(chǔ)存區(qū)數(shù)據(jù)模型，那么我們要如何去讀取不同的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)呢？或者說(shuō)，在 Modbus 中是怎么區(qū)分不同的數(shù)據(jù)模型？

此時(shí)，就要用到 功能碼。

在 Modbus 中定義了三種類(lèi)型的功能碼：

• 公共功能碼 ：Modbus 組織定義的標(biāo)準(zhǔn)的公開(kāi)的通用的功能碼，包括已定義的和保留的功能碼
• 用戶(hù)自定義功能碼 ：用戶(hù)可以自定義自己需要的功能碼，范圍在 65-72 和 100-110（都是十進(jìn)制）之間。
• 保留功能碼 ：一些公司的傳統(tǒng)設(shè)備中使用的功能碼，對(duì)公共功能碼無(wú)效。

公共功能碼定義了如下幾種：

而我們一般會(huì)使用到的有以下幾種：

可以看到，我們常用的有 8 個(gè)功能碼，其實(shí)仔細(xì)一看就能看出不過(guò)是讀所有數(shù)據(jù)模型；以及可寫(xiě)數(shù)據(jù)模型和寫(xiě)單個(gè)/寫(xiě)多個(gè)的排列組合。

讀取數(shù)據(jù)時(shí)所有數(shù)據(jù)模型均支持只讀取單個(gè)和同時(shí)讀取多個(gè)數(shù)據(jù)，并且使用的都是同一個(gè)功能碼。

寫(xiě)入數(shù)據(jù)同樣支持只寫(xiě)入單個(gè)數(shù)據(jù)和同時(shí)寫(xiě)入多個(gè)數(shù)據(jù)，但是寫(xiě)入單個(gè)和寫(xiě)入多個(gè)的功能碼是分開(kāi)的。

可能有細(xì)心的讀者發(fā)現(xiàn)了，為什么表中的所有 寄存器地址 都是一樣的啊，這是因?yàn)樯媳碇械?PLC 地址使用的是絕對(duì)地址，一般用于文檔中或程序中。

而實(shí)際設(shè)備的寄存器地址則使用的是相對(duì)地址。由于我們已經(jīng)通過(guò)功能碼區(qū)分開(kāi)了不同的數(shù)據(jù)區(qū)塊，所以為了節(jié)約傳輸時(shí)的字節(jié)占用，直接使用相對(duì)地址即可（如果使用絕對(duì)地址，那么現(xiàn)在的字節(jié)數(shù)不夠表示所有地址）。

主/從站

上文中提到過(guò)，使用串口的 Modbus 是主-從協(xié)議。即，在同一時(shí)刻，只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)連接在同一個(gè)串行總線(xiàn)上。

Modbus 的通信總是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起，子節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。并且子節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)相互通信。

在 Modbus 中，主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有地址，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)都有自己唯一的地址（1-247），通常稱(chēng)為從站地址。

主節(jié)點(diǎn)有兩種方式發(fā)出請(qǐng)求：?jiǎn)尾ツＪ脚c廣播模式。

在單播模式中，主站（主節(jié)點(diǎn)）發(fā)送一個(gè)帶有從站（子節(jié)點(diǎn)）地址的請(qǐng)求給當(dāng)前連接的所有設(shè)備，但是只有從站地址符合的從站會(huì)響應(yīng)該請(qǐng)求，并返回?cái)?shù)據(jù)。其他設(shè)備不會(huì)響應(yīng)也不會(huì)執(zhí)行任何操作（讀取到地址不符合后直接拋棄這個(gè)請(qǐng)求報(bào)文）。在這個(gè)模式中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)報(bào)文：主站的請(qǐng)求報(bào)文和從站的響應(yīng)報(bào)文。

在廣播模式中所有從站都不會(huì)發(fā)送響應(yīng)報(bào)文給主站，但是會(huì)執(zhí)行請(qǐng)求的操作，并且主站的請(qǐng)求會(huì)發(fā)送給所有從站。廣播模式一般用于寫(xiě)數(shù)據(jù)。此時(shí)主站發(fā)送的請(qǐng)求報(bào)文中的從站地址為 0 ，表示廣播。

數(shù)據(jù)幀

一個(gè) Modbus RTU 的報(bào)文幀由 4 個(gè)部分組成：

8位從站地址+8位功能碼+最大252*8位數(shù)據(jù)+16位差錯(cuò)校驗(yàn)

在 RTU 中通常使用的錯(cuò)誤校驗(yàn)方式是 CRC 校驗(yàn)（眼熟嗎？CRC 又出現(xiàn)了）

不知道你們有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，這里的功能碼使用了 2 byte ，但是上面介紹功能碼時(shí)明明最大才到 127 ，那么剩下的一半去哪兒呢？

在 Modbus 定義中，從機(jī)如果能夠正確處理主機(jī)的請(qǐng)求，則返回報(bào)文中的功能碼將和主機(jī)請(qǐng)求的功能碼一樣，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，無(wú)法正確的處理請(qǐng)求，則從機(jī)返回報(bào)文的功能碼將是最高位為 1 的功能碼，即 128-255 。

數(shù)據(jù)位在不同的功能碼以及主機(jī)請(qǐng)求還有從機(jī)響應(yīng)都有不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容和長(zhǎng)度，例如請(qǐng)求讀取線(xiàn)圈則數(shù)據(jù)位的內(nèi)容為：2字節(jié)數(shù)據(jù)表示讀取線(xiàn)圈起始地址+2字節(jié)數(shù)據(jù)表示要讀取的線(xiàn)圈數(shù)量。

此時(shí)從機(jī)將會(huì)按照請(qǐng)求讀取的線(xiàn)圈數(shù)量返回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：1字節(jié)表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)+N字節(jié)表示讀取到線(xiàn)圈狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果讀取到的線(xiàn)圈狀態(tài)數(shù)據(jù)不是 8 位的整數(shù)，則會(huì)在后面填充 0 使其滿(mǎn)足 8 位的倍數(shù)。

數(shù)據(jù)位在某些情況下，可以為空。

下面舉一個(gè)數(shù)據(jù)幀的完整例子（例子來(lái)自參考資料 1）。

我們有一個(gè)從站是溫濕度傳感器，從站地址為 1，它會(huì)將采集到的濕度寫(xiě)入保持寄存器的 40001 區(qū)塊中；溫度寫(xiě)入保持寄存器的 40002 區(qū)塊中。此時(shí)我們發(fā)送讀取保持寄存器請(qǐng)求去獲取它的溫濕度信息。

則，主機(jī)的請(qǐng)求報(bào)文為：

0103040146013B5A59

分別拆解這個(gè)數(shù)據(jù)幀為：

01 ：從站地址

03 ：功能碼，讀保持寄存器

00 00 ：讀取的起始寄存器地址（對(duì)應(yīng) 40001 的相對(duì)地址）

00 02 ：讀取的寄存器長(zhǎng)度（這里表示連續(xù)讀取兩個(gè)寄存器）

C4 0B ：CRC校驗(yàn)碼

從機(jī)在接收到請(qǐng)求后，響應(yīng)報(bào)文為：

0103040146013B5A59

拆解數(shù)據(jù)：

01：從站地址

03: 功能碼，讀保持寄存器

04 ：讀取到的數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度（這里表示4字節(jié)）

01 46 01 3B ：讀取到的數(shù)據(jù)，前兩個(gè)字節(jié)為濕度（換算成十進(jìn)制為 326 ，即 32.6% ），后兩個(gè)字節(jié)為溫度（十進(jìn)制為 315，即 31.5 攝氏度）

5A 59 ：CRC校驗(yàn)碼

這里提一句，別糾結(jié)為啥讀取到的溫濕度的值要除以 10 才是實(shí)際值，因?yàn)檫@是溫濕度傳感器廠(chǎng)家定義的。