作者：Ryan Hu
在前兩篇文章（認識 Modbus協定及Modbus RTU的傳輸資料格式）大致解釋完 Modbus protocol 後，接下來就是實作的部分。記得第一篇在談 Modbus protocol時有提到，這次要實現的系統架構長相，這是由於客戶希望可以透過 PC 去指定某個特定 IP 的 Modbus TCP Slave，讓它去控制底下的 Modbus RTU Slave。
比方說，總共有 3 組同網域中的不同 IP（即 Mobus TCP Slave，例如：192.168.1.3 and .4 and .5）， PC（Modbus TCP Master）透過 Modbus TCP 傳輸自定義的 data content 給特定 IP（例如：192.168.1.3）的 Modbus TCP Slave，Modbus TCP Slave 在接到訊息後會自定義的 spec 去 decode 來自 Master 的 data content，接著 Modbus RTU Master（和 Modbus TCP Slave 是同一人）會利用 Modbus RTU 透過 RS485 傳送 decode 完的資料給特定 address 的 Modbus RTU Slave，如此就完成了控制。
這篇文章就會從上圖的右半邊 Modbus TCP（Slave）<——Ethernet——> Modbus TCP（Master）的部分開始說起，而下一篇就會接續實作剩下的左半邊，也就是 Modbus RTU（Master）對 Modbus RTU （Slave）（即這次的主角 — 電子標籤）。為了更清楚地展示實驗內容，我做了簡圖幫助大家快速理解：
（圖片來源：作者提供）
整體的硬體配置如上圖，因為我是用我的雷蛇筆電做開發，其本身不包含 RJ45 的網路孔，因此有兩個選擇，第一是利用 USB 外接網路卡神器，第二則是利用 WiFi（因為是在同個網域底下測試）。
另一邊的 ENC28J60 本身就是一個 Arduino，它是用來使用 Ethernet 很好的外掛 module，那當然就是利用它來搭起 AP 與 Uno 之間 Ethernet 的橋樑囉！
至於軟體方面，透過點亮或熄滅 UNO 上外掛的一顆 LED 作為實驗 Modbus TCP 的依據，藉此評判 Modbus protocol 是否被打通，畢竟一條 IP 打通了，要接個 10 條也不會是問題，只要 AP（或用 switch）LAN 孔夠多就行。
Modbus TCP Slave — UNO R3
現在就從 Modbus TCP slave 端開始吧！Slave 端我是利用 Mac 作為開發環境，而 ENC28J60 在網路上有相當多的資源可以參考，在此附上我使用的 Github repo 連結：EtherCard。repo README.md 有清楚地附上硬體接線，利用 SPI 和 UNO 做溝通，這部分我想照著做應該是不會出現太大的問題！當然，也還要準備 RJ45 網路線將 EtherCard 和家裡的 AP 接上。
軟體部分，我建議如果是 Mac 開發者，直接利用 Arduino 內建的 library manager 下載 EtherCard 這個 library，下載後開啟 library 底下的 testDHCP sample code 編譯燒錄，打開 console 看看是否有抓到 MAC address 和 My IP，如下圖：
（圖片來源：作者提供）
這個資訊很重要，是之後要作為 Modbus TCP slave 的資訊同時也是讓 TCP Master 辨別的依據。確定 ENC28J60 能順利運作後，接著就是重頭戲—Modbus protcol library for Arduino 了，由於網路上也有蠻多的資源，經過測試後在這邊也附上我認為最好用的 library github repo：modbus-arduino。這個 library 包山包海，不過我們只會用到 ModbusIP_ENC28J60 這個 directory 裡面的東西，此 dir 底下有四個 sample，我們會利用 Lamp 做實驗，看能不能順利透過 Modbus protocol 的 single bit coil 將 LED 點亮。
Lamp 的 sample code 中，可以看到 setup function 內的 mac 和 ip byte array，如下圖：
（圖片來源：作者提供）
將這兩個 byte array 的內容改成剛剛在 testDHCP sample 中得到的 MAC address 和 My ip，這是等等要註冊給 Modbus object（如圖片中最後那行 configuration）的資訊。
另外在 Lamp sample code 中也有一個值得分享的東西—LAMP1_COIL 這個常數。如同上篇介紹 Modbus protocol 時，提到 registers type 的概念，00001 – 09999 屬於 Coils 的部分，code 中 LAMP1_COIL 的 default 是 100（事實上在有效的範圍要設多少都是沒問題的）。
Slave 端的最後是最簡單的 LED，我將 GPIO 7 作為我的 LED pin，編譯燒錄後就一切就緒，只要保持接電狀態，搞定 Master 端後就萬事俱備了。
（圖片來源：作者提供）
Modbus TCP Master — Razer blade
由於客戶打算自己設計 PC 端程式，而我只是為了打通 Modbus over TCP，因此便在網路上尋找是否有免費的 Modbus 軟體能讓我做打通的測試，結果發現還不少，最終在眾多選擇中找到了一個比較好用的，稱作 simply Modbus。
在 simply Modbus 的官網上，可從裡面看到許多先前在第二篇提到的名詞（例：RTU、ASCII、TCP），我們在這裡選用 TCP Client 的版本作為我們實驗的媒介（目前 simply Modbus 的軟體只有支援 Windows，Mac 並不支援！）
在上面 slave 的部分有提到，slave 端利用 single bit coil 對 Modbus 註冊 LED 的狀態，而由於 LED 只有兩個狀態 ON（HIGH）和 OFF（LOW），因此用 coil 綽綽有餘，在 Master 端直接 Write Coils 即可控制 LED 的亮滅！（對原理比較沒興趣的人也不用了解沒關係，因為 simply Modbus 有提供 UI 介面，選一選就可以了，然後下載後打開 Modbus TCP client 會看到下圖）：
（圖片來源：作者提供）
在此僅說明必要操作的部分，其他部分有興趣的可以自行研究。首先，在 IP address 的 textbox 輸入剛剛在準備 Modbus TCP slave 端時，利用 testDHCP sample code 所獲得的 My IP（我的是 192.168.0.20），至於 port 502 是 Modbus default port 不用動，接著按下 CONNECT，若無誤，會如上圖顯示變為 DISCONNECT，表示確實連上了 Modbus TCP slave（即 UNO R3）。
然而，這個 UI 介面是給 read function 使用的，而我們要做的是 Write Coil，因此得按下上圖紅圈圈起來的 Write 的鍵，看到的畫面如下：
（圖片來源：作者提供）
上面分享 Modbus TCP slave 時有提到，由於 00001 – 09999 皆屬於 Coil 的有效範圍，所以我在這邊也做了一個小更改，將原先 default 的 100 改成如上圖圈圈內的 11（即 First Register 的 textbox）；另外，其旁的 values to write 並不是對某個 register 進行值的設定，而是要對多少個 register 進行動作（詳見 function code 介紹的部分），而在此我只對 number 11 這個 Coil 動作，因此設為 1。
接著就是比較需要注意的地方，如圖可以看到我有圈 minus offset 的部分，必須為 0，因為若有值會導致位置錯誤而不動。最後就是真正的 value to write（最接近底部的圈圈），設定要 write 進 coil 的值，非 0 即 1，在此我設定了 1，然後按下 SEND，最後也如我所願地控制 LED 亮滅，Modbus TCP 的部分順利打通了。
（圖片來源：作者提供）
這邊給一個小提醒，若是照著上方步驟一步步將 Modbus 打通，在使用 simply Modbus 按下 SEND 的瞬間，LED 會動作沒錯，不過 simply Modbus 會顯示 error，說是 connection 的問題，這是正常的！因為 arduino uno 內的 sample code 所使用的 library 是 default 一旦收到東西就會先 close 那次的 connection。
談完整個 Modbus TCP 實作的過程後，下篇將介紹本次專案主角的部分 — Modbus RTU 實作，敬請期待。
（責任編輯：賴佩萱）
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文章內容對我相當有幫助，感謝您的分享