Modbus協議棧實現Modbus RTU多主站支持

時間 2019-12-14

標籤 modbus 協議實現 rtu 支持简体版

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　　前面咱們已經詳細講解過Modbus協議棧的開發過程，而且利用協議棧封裝了Modbus RTU主站和從站，Modbus TCP服務器與客戶端，Modbus ASCII主站與從站應用。但在使用過程當中，咱們發現一些使用不便和受限的地方，因此咱們就想要更新一下協議棧，主要是應用站的封裝。git

1、存在的侷限性github

　　在原有的協議棧中，咱們所封裝的Modbus RTU主站是一個特定的主站，即它只是一個主站。在一般的應用中不會有什麼問題，但在有些應用場合就會顯現出它的侷限性。數組

　　首先，做爲一個特定的主站，帶多個從站時，寫從站的處理變的很是複雜，須要分辨不一樣的從站，不一樣的變量。當有多個端口時，還須要分辨不一樣的端口。服務器

　　其次，做爲一個特定的主站，帶多個從站時，讀從站的處理，即便是不一樣的端口也不能分辨相同站地址的從站。由於同一主站的解析函數是同一個，因此即便在不一樣端口也很難分辨，除非在解析前傳遞端口信息，這實際上是將多餘的信息傳遞到協議棧。這樣作不但程序不夠明晰也缺少通常性。函數

　　最後，將全部的Modbus從站通信都做爲惟一的一個特定從站來處理，使得各部分混雜在一塊兒，程序結構很不清晰，對象也不明確。ui

2、更新設計spa

　　考慮到前述的侷限性，咱們將主站及其帶訪問的從站定義爲通用的對象，而當咱們在具體應用中使用時，再將其特例化爲特定的主站和從站對象。設計

　　首先咱們來考慮主站，原則上咱們規劃的每個主站對象對應咱們設備上的一個端口，那麼在同一端口下，也就是在一個特定主站下，咱們能夠定義多個地址不一樣的從站，但不一樣端口下不受影響。以下圖所示：指針

　　從上圖中咱們能夠發現，咱們的目的就是讓協議棧支持，多主站和多從站，而且在不一樣主站下，從站的地址重複不受影響。接下來咱們還須要考慮從站對象。主站對從站的操做無非兩類：讀從站信息和寫從站信息。code

　　對於讀從站信息來講，主站須要發送請求命令，等待從站返回響應信息，而後主站解析收到的信息並更新對應的參數值。有兩點須要咱們考慮，第一返回的響應消息是沒有對應的寄存器地址的，因此要想在解析的時候定位寄存器就必須知道發送的命令，爲了便於分辨咱們將命令存放在從站對象中。第二在解析響應時，若是兩條命令的響應相似是無法分辨的，因此咱們還須要記住上一條命令是什麼。也存儲於從站對象中。

　　而對於寫從站操做，不管寫的要求來自於哪裏，對於協議棧來講確定是其它的數據處理進程發過來的，所接到要求後咱們須要記錄是哪個主站管理的哪個從站的哪些參數。對於主站咱們不須要分辨，由於每一個主站都是獨立的處理進程，可是對於從站和參數咱們就須要分辨。每個主站能夠帶的站地址爲0到255，但0和255已有定義，因此實際是1到254個。因此咱們使用一個256位的變量，每位對應站號來標誌其是否有須要寫的請求。記錄於主站，具體以下：

　　而每一個從站的寫參數請求標誌則存儲於各個從站對象，由於不一樣的從站可能有很大區別，存儲於各個從站更加靈活。

3、如何實現

　　咱們已經設計了咱們的更新，但具體如何實現它呢？咱們主要從如下幾個方面來實現它。第一，實現主站對象類型和從站對象類型。第二，主站對象的實例化及從站對象的實例化。第三，讀從站的主站操做過程。第四，寫從站的主站操做過程。接下來咱們將一一描述之。

3.1、定義對象類型

　　在Modbus RTU協議棧的封裝中，咱們須要定義主站對象和從站對象，天然也須要定義這兩種類型。至於其功能前述已經描述過。

　　首先咱們來定義本地主站的類型，其成員包括：一個uint32_t的寫從站標誌數組；從站數量字段；從站順序字段；本主站所管理的從站列表；4個數據更新函數指針。具體定義以下：

 1 /* 定義本地RTU主站對象類型 */
 2 typedef struct LocalRTUMasterType{
 3   uint32_t flagWriteSlave[8];   //寫一個站控制標誌位，最多256個站，與站地址對應。
 4   uint16_t slaveNumber;         //從站列表中從站的數量
 5   uint16_t readOrder;           //當前從站在從站列表中的位置
 6   RTUAccessedSlaveType *pSlave;         //從站列表
 7   UpdateCoilStatusType pUpdateCoilStatus;       //更新線圈量函數
 8   UpdateInputStatusType pUpdateInputStatus;     //更新輸入狀態量函數
 9   UpdateHoldingRegisterType pUpdateHoldingRegister;     //更新保持寄存器量函數
10   UpdateInputResgisterType pUpdateInputResgister;       //更新輸入寄存器量函數
11 }RTULocalMasterType;

　　關於主站對象類型，在前面的更新設計中已經講的很清楚了，只有兩個須要說明一下。第一，從站列表是用來記錄本主站所管理的從站對象。第二，readOrder字段表示爲當前訪問從站在列表中的位置，而slaveNumber是從站對象的數量，即列表的長度。具體以下圖所示：

　　還須要定義從站對象，此從站對象只是便於主站而用於表示真實的從站。主站的從站列表中就是此對象。具體結構以下：

 1 /* 定義被訪問RTU從站對象類型 */
 2 typedef struct AccessedRTUSlaveType{
 3   uint8_t stationAddress;       //站地址
 4   uint8_t cmdOrder;             //當前命令在命令列表中的位置
 5   uint16_t commandNumber;       //命令列表中命令的總數
 6   uint8_t (*pReadCommand)[8];   //讀命令列表
 7   uint8_t *pLastCommand;        //上一次發送的命令
 8   uint32_t flagPresetCoil;      //預置線圈控制標誌位
 9   uint32_t flagPresetReg;       //預置寄存器控制標誌位
10 }RTUAccessedSlaveType;

　　關於從站對象有兩個字段須要說一下，就是flagPresetCoil和flagPresetReg字段。這兩個字段用來表示對線圈和保持寄存器的寫請求。

3.2、實例化對象

　　咱們定義了主站即從站對象類型，咱們在使用時就須要實例化這些對象。通常來講一個硬件端口咱們將其實例化爲一個主站對象。

　　RTULocalMasterType hgraMaster;

　　/*初始化RTU主站對象*/

　　InitializeRTUMasterObject(&hgraMaster,2,hgraSlave,NULL,NULL,NULL,NULL);

　　而一個主站對象會管理1到254個從站對象，因此咱們能夠將多個從站對象實例組成數組，並將其賦予主站管理。

　　RTUAccessedSlaveType hgraSlave[]={{1,0,2,slave1ReadCommand,NULL,0x00,0x00},{2,0,2,slave2ReadCommand,NULL,0x00,0x00}};

　　因此，根據主站和從站實例化的條件，咱們須要先實例化從站對象才能完整實例化主站對象。在主站的初始化中，咱們這裏將4的數據處理函數指針初始化爲NULL，有一個默認的處理函數會複製給它，該函數是上一版本的延續，在簡單應用時簡化操做。從站的上一個發送的命令指針也被賦值爲NULL，由於初始時尚未命令發送。

3.3、讀從站操做

　　讀從站操做原理上與之前的版本是同樣的。按照必定的順序給從站發送命令再對收到的消息進行解析。咱們對主站及其所管理的從站進行了定義，將發送命令保存於從站對象，將從站列表保存於主站對象，因此咱們須要對解析函數進行修改。

 1 /*解析收到的服務器相應信息*/
 2 /*uint8_t *recievedMessage,接收到的消息列表*/
 3 /*uint8_t *command,發送的讀操做命令，若爲NULL則在命令列表中查找*/
 4 void ParsingSlaveRespondMessage(RTULocalMasterType *master,uint8_t *recievedMessage,uint8_t *command)
 5 {
 6   int i=0;
 7   int j=0;
 8   uint16_t startAddress;
 9   uint16_t quantity;
10   uint8_t *cmd=NULL;
11  
12   /*若是不是讀操做的反回信息不須要處理*/
13   if(recievedMessage[1]>0x04)
14   {
15     return;
16   }
17  
18   /*判斷功能碼是否有誤*/
19   FunctionCode fuctionCode=(FunctionCode)recievedMessage[1];
20   if (CheckFunctionCode(fuctionCode) != MB_OK)
21   {
22     return;
23   }
24  
25   /*校驗接收到的信息是否有錯*/
26   uint16_t byteCount=recievedMessage[2];
27   bool chechMessageNoError=CheckRTUMessageIntegrity(recievedMessage,byteCount+5);
28   if(!chechMessageNoError)
29   {
30     return;
31   }
32  
33   if((command==NULL)||(!CheckMessageAgreeWithCommand(recievedMessage,command)))
34   {
35     while(i<master->slaveNumber)
36     {
37       if(master->pSlave[i].stationAddress==recievedMessage[0])
38       {
39         break;
40       }
41       i++;
42     }
43    
44     if(i>=master->slaveNumber)
45     {
46       return;
47     }
48    
49     if((master->pSlave[i].pLastCommand==NULL)||(!CheckMessageAgreeWithCommand(recievedMessage,master->pSlave[i].pLastCommand)))
50     {
51       j=FindCommandForRecievedMessage(recievedMessage,master->pSlave[i].pReadCommand,master->pSlave[i].commandNumber);
52      
53       if(j<0)
54       {
55         return;
56       }
57      
58       cmd=master->pSlave[i].pReadCommand[j];
59     }
60     else
61     {
62       cmd=master->pSlave[i].pLastCommand;
63     }
64   }
65   else
66   {
67     cmd=command;
68   }
69  
70   startAddress=(uint16_t)cmd[2];
71   startAddress=(startAddress<<8)+(uint16_t)cmd[3];
72   quantity=(uint16_t)cmd[4];
73   quantity=(quantity<<8)+(uint16_t)cmd[5];
74  
75   if((fuctionCode>=ReadCoilStatus)&&(fuctionCode<=ReadInputRegister))
76   {
77     HandleSlaveRespond[fuctionCode-1](master,recievedMessage,startAddress,quantity);
78   }
79 }

　　解析函數的主要部分是在檢查接收到的消息是不是合法的Modbus RTU消息。檢查沒問題則調用協議站解析。而最後調用的數據處理函數則是咱們須要在具體應用中編寫。在前面主站初始化時，回調函數咱們初始化爲NULL，實際在協議棧中有弱化的函數定義，須要針對具體的寄存器和變量地址實現操做。

3.4、寫從站操做

　　寫從站操做則是在其它進程請求後，咱們標識須要寫的對象再統一處理。對具體哪一個從站的寫標識存於主站實例。而該從站的哪些變量須要寫則記錄在從站實例中。

　　因此在進程檢測到須要寫一個從站時則置位對應的位，即改變flagWriteSlave中的對應位。而須要寫該站的哪些變量則標記flagPresetCoil和flagPresetReg的對應位。修改這些標識都在其它請求更改的進程中實現，而具體的寫操做則在本主站進程中，檢測到標誌位的變化統一執行。

　　這部分不修改協議棧的代碼，由於各站及各變量都至於具體對象相關聯，因此在具體的應用中修改。

4、迴歸驗證

　　爲了驗證咱們前面的更新設計是符合要求的，咱們設計一個難度較高的實驗系統。這一實驗系統包括Modbus網關，上位Modbus主站以及下位的Modbus從站。咱們所要實現的是Modbus網關部分，其具體結構圖設計以下：

　　從上圖咱們知道，該Modbus網關須要實現一個Modbus從站用於和上位的通信；須要實現兩個Modbus主站用於和下位的通信。

　　在這個實驗中，讀操做沒有什麼須要說的，只須要發送命令，解析返回消息便可。因此咱們重點描述一下寫操做，爲了方便操做，在須要寫的連續段，咱們只要找到第一個請求寫的位置後，就將後續連續可寫數據一次性寫入。修改寫標誌位的代碼以下：

  1 /* 寫從站寄存器控制 */
  2 static void WriteSlaveRegisterControll(uint16_t startAddress,uint16_t endAddress)
  3 {
  4   if((12<=startAddress)&&(startAddress<=71)&&(12<=endAddress)&&(endAddress<=71))
  5   {
  6     ModifyWriteRTUSlaveEnableFlag(&hgraMaster,hgraMaster.pSlave[0].stationAddress,true);
  7    
  8     if((startAddress<=12)&&(13<=endAddress))
  9     {
 10       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x01;
 11     }
 12     if((startAddress<=14)&&(15<=endAddress))
 13     {
 14       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x02;
 15     }
 16     if((startAddress<=16)&&(17<=endAddress))
 17     {
 18       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x04;
 19     }
 20     if((startAddress<=18)&&(19<=endAddress))
 21     {
 22       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x08;
 23     }
 24     if((startAddress<=20)&&(21<=endAddress))
 25     {
 26       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x10;
 27     }
 28     if((startAddress<=22)&&(23<=endAddress))
 29     {
 30       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x20;
 31     }
 32     if((startAddress<=24)&&(25<=endAddress))
 33     {
 34       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x40;
 35     }
 36     if((startAddress<=26)&&(27<=endAddress))
 37     {
 38       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x80;
 39     }
 40    
 41     if((startAddress<=32)&&(32<=endAddress))
 42     {
 43       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x100;
 44     }
 45     if((startAddress<=33)&&(33<=endAddress))
 46     {
 47       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x200;
 48     }
 49     if((startAddress<=34)&&(34<=endAddress))
 50     {
 51       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x400;
 52     }
 53     if((startAddress<=35)&&(35<=endAddress))
 54     {
 55       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x800;
 56     }
 57     if((startAddress<=36)&&(36<=endAddress))
 58     {
 59       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x1000;
 60     }
 61     if((startAddress<=37)&&(37<=endAddress))
 62     {
 63       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x2000;
 64     }
 65     if((startAddress<=38)&&(38<=endAddress))
 66     {
 67       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x4000;
 68     }
 69     if((startAddress<=39)&&(39<=endAddress))
 70     {
 71       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x8000;
 72     }
 73     if((startAddress<=40)&&(40<=endAddress))
 74     {
 75       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x10000;
 76     }
 77     if((startAddress<=41)&&(41<=endAddress))
 78     {
 79       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x20000;
 80     }
 81     if((startAddress<=42)&&(42<=endAddress))
 82     {
 83       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x40000;
 84     }
 85     if((startAddress<=43)&&(43<=endAddress))
 86     {
 87       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x80000;
 88     }
 89     if((startAddress<=44)&&(44<=endAddress))
 90     {
 91       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x100000;
 92     }
 93     if((startAddress<=45)&&(45<=endAddress))
 94     {
 95       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x200000;
 96     }
 97     if((startAddress<=46)&&(46<=endAddress))
 98     {
 99       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x400000;
100     }
101     if((startAddress<=47)&&(47<=endAddress))
102     {
103       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x800000;
104     }
105    
106     if((startAddress<=52)&&(55<=endAddress))
107     {
108       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x1000000;
109     }
110     if((startAddress<=56)&&(59<=endAddress))
111     {
112       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x2000000;
113     }
114     if((startAddress<=60)&&(63<=endAddress))
115     {
116       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x4000000;
117     }
118     if((startAddress<=64)&&(67<=endAddress))
119     {
120       hgraMaster.pSlave[0].flagPresetReg|=0x8000000;
121     }
122   }
123  
124   if((72<=startAddress)&&(startAddress<=131)&&(72<=endAddress)&&(endAddress<=131))
125   {
126     ModifyWriteRTUSlaveEnableFlag(&hgraMaster,hgraMaster.pSlave[1].stationAddress,true);
127    
128     if((startAddress<=72)&&(73<=endAddress))
129     {
130       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x01;
131     }
132     if((startAddress<=74)&&(75<=endAddress))
133     {
134       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x02;
135     }
136     if((startAddress<=76)&&(77<=endAddress))
137     {
138       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x04;
139     }
140     if((startAddress<=78)&&(79<=endAddress))
141     {
142       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x08;
143     }
144     if((startAddress<=80)&&(81<=endAddress))
145     {
146       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x10;
147     }
148     if((startAddress<=82)&&(83<=endAddress))
149     {
150       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x20;
151     }
152     if((startAddress<=84)&&(85<=endAddress))
153     {
154       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x40;
155     }
156     if((startAddress<=86)&&(87<=endAddress))
157     {
158       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x80;
159     }
160    
161     if((startAddress<=92)&&(92<=endAddress))
162     {
163       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x100;
164     }
165     if((startAddress<=93)&&(93<=endAddress))
166     {
167       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x200;
168     }
169     if((startAddress<=94)&&(94<=endAddress))
170     {
171       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x400;
172     }
173     if((startAddress<=95)&&(95<=endAddress))
174     {
175       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x800;
176     }
177     if((startAddress<=96)&&(96<=endAddress))
178     {
179       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x1000;
180     }
181     if((startAddress<=97)&&(97<=endAddress))
182     {
183       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x2000;
184     }
185     if((startAddress<=98)&&(98<=endAddress))
186     {
187       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x4000;
188     }
189     if((startAddress<=99)&&(99<=endAddress))
190     {
191       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x8000;
192     }
193     if((startAddress<=100)&&(100<=endAddress))
194     {
195       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x10000;
196     }
197     if((startAddress<=101)&&(101<=endAddress))
198     {
199       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x20000;
200     }
201     if((startAddress<=102)&&(102<=endAddress))
202     {
203       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x40000;
204     }
205     if((startAddress<=103)&&(103<=endAddress))
206     {
207       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x80000;
208     }
209     if((startAddress<=104)&&(104<=endAddress))
210     {
211       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x100000;
212     }
213     if((startAddress<=105)&&(105<=endAddress))
214     {
215       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x200000;
216     }
217     if((startAddress<=106)&&(106<=endAddress))
218     {
219       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x400000;
220     }
221     if((startAddress<=107)&&(107<=endAddress))
222     {
223       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x800000;
224     }
225    
226     if((startAddress<=112)&&(115<=endAddress))
227     {
228       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x1000000;
229     }
230     if((startAddress<=116)&&(119<=endAddress))
231     {
232       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x2000000;
233     }
234     if((startAddress<=120)&&(123<=endAddress))
235     {
236       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x4000000;
237     }
238     if((startAddress<=124)&&(127<=endAddress))
239     {
240       hgraMaster.pSlave[1].flagPresetReg|=0x8000000;
241     }
242   }
243  
244   if((132<=startAddress)&&(startAddress<=191)&&(131<=endAddress)&&(endAddress<=191))
245   {
246     ModifyWriteRTUSlaveEnableFlag(&hgpjMaster,hgpjMaster.pSlave[0].stationAddress,true);
247   }
248  
249   if((192<=startAddress)&&(startAddress<=251)&&(192<=endAddress)&&(endAddress<=251))
250   {
251     ModifyWriteRTUSlaveEnableFlag(&hgpjMaster,hgpjMaster.pSlave[1].stationAddress,true);
252   }
253 }