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[ASP.net教程]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 (-1 == 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[1024];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[1024];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 destuint16_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     = 0,  MODBUS_ERROR_RECOVERY_LINK     = (1<<1),  MODBUS_ERROR_RECOVERY_PROTOCOL   = (1<<2)} 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 seialdts* 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=0,SERIAL_RS485}serial_mode;