【Maker電子學】Modbus RTU的傳輸資料格式

Posted By Ryan Hu on 9 月 18, 2019 in Maker電子學, 教學文 | 0 comments

作者：Ryan Hu

上篇只有稍微介紹完 Modbus 的種類，接下來就從 Modbus protocol packet format 繼續吧！

Modbus RTU protocol 傳輸資料格式 (packet format)

如同上篇所述，我主要會專注在目前主流 Modbus – Modbus RTU 做介紹，我們就直接來看 master 傳出去的資料以及格式是什麼吧！（Modbus TCP 傳出去的資料會在實作過程中稍微提及）

（圖片來源：source）

這個 format 剛開始看到一定會霧煞煞，因為包括 function code，和使用到的 register type，都屬於 Modbus protocol 自定義的一部份。就一個個來看吧。

Device address 應該不難懂，即 master 要將這整個 packet 傳給哪個 slave，slave address 則可以事先定義好，在我自己的開發專案中，RTU slave 就是電子標籤本身，所以可以事前在 MCU 中 define slave address。

而要講 function code 之前，一定要先瞭解 Modbus 自定義的 register type。

（圖片來源：source）

嚴格來說，不能稱以上這些被定義的 register 為 register，最多稱之為 “Object”，只是有四種不同的形式，即上圖所示的 Discrete Inputs、Coils、Input Registers 和 Holding Registers。

之所以不能稱之為 register 的原因，相信如果有接觸單晶片開發的同好朋友一定知道，因為 MCU (device) 本身內部就是由一堆 registers 的設定，才能做出不同的功能表現。而這裡和實體那些擁有特定 address 的 register 不同，此為軟體模擬，和硬體不直接相關，因此用 Object 稱之會較為準確。

Discrete Inputs 和 Coils 只有 single byte，很明顯就是用來做 I/O 的 digital INPUT/OUTPUT，由表中也可得知此二種不同的 typologies 的差別：Coil 是 R/W，Discrete Inputs 則是只能 Read。

而 Input Registers 和 Holding Registers 皆是可存 0-65535 值（2 bytes）的 typologies。最常見的就是 analog 值的應用以及其他客製化所需的資料，像是進入 ISR 的次數等等。

講到這，應該還是很難想像那到底要怎麼使用這些 typologies？slave 的 code 到底要設定哪些東西才能讓 master 在對應的位置抓到或是寫入有效的資料呢？下圖見分曉。

（圖片來源：source）

既然已經定義了各種 typologies（Discrete Inputs、Coils、Input Registers 和 Holding Registers），那給不同 typologies 不同的軟體位置定義其實也就搞定了。如上圖，00001 – 09999 就屬於 Coils 的部分，或者也可以用 prefix 的角度，如果是 0 開頭的就一定是 Coils，以此類推做出四種 typologies 的區別，至於 PDU address 的部分，下方會和 function code 的部分一起做解釋。

截至目前，應該對於 register type（以免搞混我這不用 Object 就用原先的講法吧）有稍微的理解，現在可以進一步前進至 function code 的部分了。

（圖片來源：source）

由於解釋完了四種 typologies，上方 related area 這個 column 的內容應該就可以對得起來了。也就是說，我們退回到 Modbus RTU packet format 來看，device address 後便是 function code，假設 master 期望對 slave 的某個 GPIO（eg. LED）做 ON/OFF 的動作，那 function code 就會植入 5，目的是告訴 slave 我（master）要來「寫」你的 Single Coil 了。

在講下去之前，要先認識一個詞：PDU（protocol data unit），整個 Modbus RTU packet 中 PDU 的部分包含 function code 和 data（包含 register number 和 register count），如下結構：

function code
Starting Address HI
Starting Address LO
Count of Register HI
Count of Register LO

而一組 PDU 最多（maximum）是 256 bytes。

回到主線，因為不同的 function code 就會對不同的 typologies 做各式的動作，這也是為什麼在講 typologies 時的那張圖，最後一個 column – PDU address，不論 typologies 為何，皆是 0000 – 9998。舉例來說，如果 function code 為 1，接下來的 byte 就是填要從哪個 register 開始（eg. 0x00），然後從開始的 register 數起共多少個 registers（eg. 0x0A），一次最多讀取 2000 的 coils。

至於 CRC error checking 就是大家常見的標準款，沒什麼特別 (雖是這樣說，我還是覺得發明的人真的太強…)。master 傳過去的 packet format 大致介紹是這樣，接下來，slave 在得到 master 的 packet 後回應的部分，我覺得也相當有趣，下方和大家分享。

Modbus RTU slave reponse

Modbus RTU slave 在收到 master 訊息後，只有兩種情況，正確接收和出現錯誤。

在正確接受的情況下，slave 會回的東西很簡單，exactly 就是 master 傳來的東西，packet 的結構完全和 master 的 packet 相同，包含 function code + data + CRC error check。

比較有趣的是出現錯誤的時候，slave 會將來自 master packet 裡的 function code 的 MSB，變為 logic 1，除此之外，原先來自 master data 位置的內容物會被 Modbus protocol 所定義的 exception code 所取代，如下圖：