安卓與串口通信入門之modbus（上）

前言

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

事實上，在實際應(yīng)用中，我們很少會直接使用串口通信，一般都會使用到 Modbus。

因為正如我上篇文章所說，如果直接使用串口通信的話，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 byte 的數(shù)字進行通信，這顯然是不方便的，也不安全的。

例如我上篇提到過的一個問題，我所使用的驅(qū)動版廠商定義的協(xié)議中沒有定義數(shù)據(jù)長度（或者在數(shù)據(jù)中附上數(shù)據(jù)長度），也沒有定義停止符號，這會導(dǎo)致出現(xiàn)“沾包”或“分包”情況時不好區(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)，使用起來不是那么方便。

所以，我司在嘗試過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展篇，我們將講解 Modbus 的基礎(chǔ)知識以及如何在安卓中使用 Modbus。

本文中部分圖表來自文末標(biāo)注的參考資料

Modbs 基礎(chǔ)

簡介

Modbus 是一種應(yīng)用層報文傳輸協(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。

因為 Modbus 是開源的且無著作權(quán)要求、易于部署維護、可靠性強的特性，所以 Modbus 已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議事實上的業(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，所有設(shè)備的傳輸模式必須相同。

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

使用串口連接時支持 RTU 和 ASCII 模式。

使用以太網(wǎng)連接時支持 TCP 模式。

因為本系列文章的重點在于講解串口通信，所以我們不過多講解 TCP 模式，同時，由于 ASCII 模式在目前實際應(yīng)用中比較少，我們一般都是使用的 RTU 模式。故，我們會重點講解 Modbus RTU。如果對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來的數(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，通常采用的是 RS485 。

而我們在第一篇文章就說過，RS485 支持一主多從多個設(shè)備同時連接，所以使用 RS485 的 Modbus 同樣支持多個設(shè)備連接。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載情況下，支持一個主機連接最多32個從機。并且在連接設(shè)備時，只能使用菊花鏈連接，不能使用星型網(wǎng)絡(luò)：

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

儲存區(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 線圈 和 離散量輸入 又可以稱為 輸出線圈 和 輸入線圈。

它們的數(shù)據(jù)長度都是一個 bit，即只能表示 1 或 0，表現(xiàn)在程序中就是一個 Boolean 類型的數(shù)據(jù)。對于安卓程序員來說，可能會疑惑啥是線圈，其實這兩個模型之所以叫做線圈是因為 Modbus 是為了 PLC 通信而編寫的協(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)切換一般都是依賴于線圈的通/斷電來實現(xiàn)，所以在 Modbus 中就將這種類型的數(shù)據(jù)稱為 線圈。

而 輸入寄存器 和 保持寄存器 又可以稱為 輸入寄存器 和 輸出寄存器。

它們的數(shù)據(jù)長度是一個 word，即 16 bit，2 byte，表現(xiàn)在程序中可以看成一個 Int 類型。

顯然，在同一個設(shè)備中不同的數(shù)據(jù)模型肯定不止一個可用的數(shù)據(jù)區(qū)塊，理論上來說，每種數(shù)據(jù)模型最大可以定義 65536 個數(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，雖然我們上面說每種模型理論上支持 65536 個數(shù)據(jù)區(qū)塊，但是實際使用中每種數(shù)據(jù)模型一般都只會定義最大 10000 個數(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（下面會說什么是功能碼）讀到的是不同的數(shù)據(jù)：

同時，Modbus 也可以將不同的數(shù)據(jù)模型映射到同一個數(shù)據(jù)區(qū)塊中，這樣一來，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，在 Modbus 中是怎么區(qū)分不同的數(shù)據(jù)模型？

此時，就要用到 功能碼。

在 Modbus 中定義了三種類型的功能碼：

• 公共功能碼 ：Modbus 組織定義的標(biāo)準(zhǔn)的公開的通用的功能碼，包括已定義的和保留的功能碼
• 用戶自定義功能碼 ：用戶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，對公共功能碼無效。

公共功能碼定義了如下幾種：

而我們一般會使用到的有以下幾種：

可以看到，我們常用的有 8 個功能碼，其實仔細(xì)一看就能看出不過是讀所有數(shù)據(jù)模型；以及可寫數(shù)據(jù)模型和寫單個/寫多個的排列組合。

讀取數(shù)據(jù)時所有數(shù)據(jù)模型均支持只讀取單個和同時讀取多個數(shù)據(jù)，并且使用的都是同一個功能碼。

寫入數(shù)據(jù)同樣支持只寫入單個數(shù)據(jù)和同時寫入多個數(shù)據(jù)，但是寫入單個和寫入多個的功能碼是分開的。

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，這是因為上表中的 PLC 地址使用的是絕對地址，一般用于文檔中或程序中。

而實際設(shè)備的寄存器地址則使用的是相對地址。由于我們已經(jīng)通過功能碼區(qū)分開了不同的數(shù)據(jù)區(qū)塊，所以為了節(jié)約傳輸時的字節(jié)占用，直接使用相對地址即可（如果使用絕對地址，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，使用串口的 Modbus 是主-從協(xié)議。即，在同一時刻，只有一個主節(jié)點和一個或多個子節(jié)點連接在同一個串行總線上。

Modbus 的通信總是由主節(jié)點發(fā)起，子節(jié)點響應(yīng)。并且子節(jié)點之間不會相互通信。

在 Modbus 中，主節(jié)點沒有地址，每個子節(jié)點都有自己唯一的地址（1-247），通常稱為從站地址。

主節(jié)點有兩種方式發(fā)出請求：單播模式與廣播模式。

在單播模式中，主站（主節(jié)點）發(fā)送一個帶有從站（子節(jié)點）地址的請求給當(dāng)前連接的所有設(shè)備，但是只有從站地址符合的從站會響應(yīng)該請求，并返回數(shù)據(jù)。其他設(shè)備不會響應(yīng)也不會執(zhí)行任何操作（讀取到地址不符合后直接拋棄這個請求報文）。在這個模式中會產(chǎn)生兩個報文：主站的請求報文和從站的響應(yīng)報文。

在廣播模式中所有從站都不會發(fā)送響應(yīng)報文給主站，但是會執(zhí)行請求的操作，并且主站的請求會發(fā)送給所有從站。廣播模式一般用于寫數(shù)據(jù)。此時主站發(fā)送的請求報文中的從站地址為 0 ，表示廣播。

數(shù)據(jù)幀

一個 Modbus RTU 的報文幀由 4 個部分組成：

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

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

不知道你們有沒有發(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，從機如果能夠正確處理主機的請求，則返回報文中的功能碼將和主機請求的功能碼一樣，如果出現(xiàn)錯誤，無法正確的處理請求，則從機返回報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請求還有從機響應(yīng)都有不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度，例如請求讀取線圈則數(shù)據(jù)位的內(nèi)容為：2字節(jié)數(shù)據(jù)表示讀取線圈起始地址+2字節(jié)數(shù)據(jù)表示要讀取的線圈數(shù)量。

此時從機將會按照請求讀取的線圈數(shù)量返回數(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)表示讀取到線圈狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果讀取到的線圈狀態(tài)數(shù)據(jù)不是 8 位的整數(shù)，則會在后面填充 0 使其滿足 8 位的倍數(shù)。

數(shù)據(jù)位在某些情況下，可以為空。

下面舉一個數(shù)據(jù)幀的完整例子（例子來自參考資料 1）。

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

則，主機的請求報文為：

0103040146013B5A59

分別拆解這個數(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（對應(yīng) 40001 的相對地址）

00 02 ：讀取的寄存器長度（這里表示連續(xù)讀取兩個寄存器）

C4 0B ：CRC校驗碼

從機在接收到請求后，響應(yīng)報文為：

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)長度（這里表示4字節(jié)）

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

5A 59 ：CRC校驗碼

這里提一句，別糾結(jié)為啥讀取到的溫濕度的值要除以 10 才是實際值，因為這是溫濕度傳感器廠家定義的。