Modbus TCP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對于Modbus TCP來說與Modbus RTU和Modbus ASCII有比較大的區(qū)別，因?yàn)樗沁\(yùn)行于以太網(wǎng)鏈路之上，是運(yùn)行于TCP/IP協(xié)議之上的一種應(yīng)用層協(xié)議。在協(xié)議棧的前兩個版本中，Modbus TCP作為客戶端時也存在一些局限性。我們將對這些不足作一定更新。

1 、存在的不足

在原有的協(xié)議棧中，我們所封裝的Modbus TCP客戶端一個特定的客戶端，即它只是一個客戶端實(shí)例。在通常的應(yīng)用中不會有什么問題，但在有些應(yīng)用場合就會顯現(xiàn)出它的局限性。

首先，作為一個特定的客戶端，若是連接多個服務(wù)器目標(biāo)時，修改服務(wù)器參數(shù)值的處理變的非常復(fù)雜，需要分辨是不同的服務(wù)器，不同的變量。當(dāng)需要從不同的網(wǎng)段操作數(shù)據(jù)時，我們甚至需要標(biāo)記不同的網(wǎng)段。

其次，作為一個特定的客戶端，如果我們操作的服務(wù)器參數(shù)相似時，哪怕來自于不同的網(wǎng)段，我們也需要仔細(xì)分辨或者傳遞額外的參數(shù)。因?yàn)橥豢蛻舳说慕馕龊瘮?shù)是同一個。

最后，將多個Modbus TCP服務(wù)器通訊都作為唯一的一個特定的服務(wù)器來處理，使得各部分混雜在一起，程序結(jié)構(gòu)很不清晰，對象也不明確。

2 、更新設(shè)計(jì)

考慮到前述的局限性，我們將Modbus TCP客戶端及其所訪問的Modbus TCP服務(wù)器定義為通用的對象，而當(dāng)我們在具體應(yīng)用中使用時，再將其特例化為特定的客戶端和服務(wù)器對象。

首先我們來考慮客戶端，原則上我們規(guī)劃的每一個客戶端對象管理我們設(shè)備上的一個IP網(wǎng)段的設(shè)備。那么在一個特定客戶端下，我們可以定義多達(dá)253個不同的服務(wù)器。如下圖所示：

從上圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，我們的目的就是讓協(xié)議棧支持，多客戶端和多服務(wù)器，并且在不同客戶端下可以訪問同網(wǎng)段的多個服務(wù)器。接下來我們還需要考慮服務(wù)器對象?？蛻舳藢Ψ?wù)器的操作無非兩類：讀服務(wù)器信息和寫服務(wù)器信息。

對于讀服務(wù)器信息來說，客戶端需要發(fā)送請求命令，等待服務(wù)器返回響應(yīng)信息，然后客戶端解析收到的信息并更新對應(yīng)的參數(shù)值。因?yàn)榉祷氐捻憫?yīng)消息是沒有對應(yīng)的寄存器地址的，所以要想在解析的時候定位寄存器就必須知道發(fā)送的命令，為了便于分辨我們將命令存放在服務(wù)器對象中。

而對于寫服務(wù)器操作，無論寫的要求來自于哪里，對于協(xié)議棧來說肯定是其它的數(shù)據(jù)處理進(jìn)程發(fā)過來的，所接到要求后我們需要記錄是哪一個客戶端管理的哪一個服務(wù)器的哪些參數(shù)。對于客戶端我們不需要分辨，因?yàn)槊總€客戶端都是獨(dú)立的處理進(jìn)程，但是對于服務(wù)器和參數(shù)我們就需要分辨。每一個客戶端所管理的IP地址的最后一段為0到255，所以我們可以依據(jù)來分辨服務(wù)器端。而在每一個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中增加狀態(tài)標(biāo)志，用以記錄請求狀態(tài)，而所有服務(wù)器端組成鏈表。

3 、編碼實(shí)現(xiàn)

我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了我們的更新，接下來我們就根據(jù)這一設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)它。我們主要從以下幾個方面來操作：第一，實(shí)現(xiàn)客戶端對象類型和服務(wù)器對象類型；第二，客戶端對象的實(shí)例化及服務(wù)器對象的實(shí)例化；第三，讀服務(wù)器參數(shù)的客戶端操作過程；第四，寫服務(wù)器參的數(shù)客戶端操作過程。接下來我們將一一描述之。

3.1 、定義對象類型

與在Modbus RTU和Modbus ASCII一樣，在Modbus TCP協(xié)議棧的封裝中，我們也需要定義客戶端對象和服務(wù)器對象，自然也免不了要定義這兩種類型。

首先我們來定義本地客戶端的類型，其成員包括：一個uint32_t的寫服務(wù)器標(biāo)志數(shù)組；服務(wù)器數(shù)量字段；服務(wù)器順序字段；本客戶端所管理的服務(wù)器列表；4個數(shù)據(jù)更新函數(shù)指針。具體定義如下：

1 /* 定義本地TCP客戶端對象類型 */
 2 typedef struct LocalTCPClientType{
 3   uint32_t transaction;                                 //事務(wù)標(biāo)識符
 4   uint16_t cmdNumber;                                  //讀服務(wù)器命令的數(shù)量
 5   uint16_t cmdOrder;                                   //當(dāng)前從站在從站列表中的位置
 6   uint8_t (*pReadCommand)[12];                         //讀命令列表
 7   ServerListHeadNode ServerHeadNode;                    //Server對象鏈表的頭節(jié)點(diǎn)
 8   UpdateCoilStatusType pUpdateCoilStatus;               //更新線圈量函數(shù)
 9   UpdateInputStatusType pUpdateInputStatus;             //更新輸入狀態(tài)量函數(shù)
10   UpdateHoldingRegisterType pUpdateHoldingRegister;     //更新保持寄存器量函數(shù)
11   UpdateInputResgisterType pUpdateInputResgister;       //更新輸入寄存器量函數(shù)
12 }TCPLocalClientType;

關(guān)于客戶端對象類型，在前面的更新設(shè)計(jì)中已經(jīng)講的很清楚了，只有Server對象鏈表的頭節(jié)點(diǎn)字段需要說明一下。該字段包括兩個類容：第一，服務(wù)器鏈表的頭節(jié)點(diǎn)指針，用來記錄服務(wù)器對象列表。第二，記錄鏈表的長度，即服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。具體如下圖所示：

還需要定義服務(wù)器對象，此服務(wù)器對象只是便于客戶端而用于表示真是的服務(wù)器?？蛻舳说姆?wù)器列表中就是此對象。具體結(jié)構(gòu)如下：

1 /* 定義被訪問TCP服務(wù)器對象類型 */
 2 typedef struct AccessedTCPServerType{
 3   union {
 4     uint32_t ipNumber;
 5     uint8_t ipSegment[4];
 6   }ipAddress;                                           //服務(wù)器的IP地址
 7   uint32_t flagPresetServer;                            //寫服務(wù)器請求標(biāo)志
 8   WritedCoilListHeadNode pWritedCoilHeadNode;          //可寫的線圈量列表
 9   WritedRegisterListHeadNode pWritedRegisterHeadNode;  //可寫的保持寄存器列表
10   struct AccessedTCPServerType *pNextNode;              //下一個TCP服務(wù)器節(jié)點(diǎn)
11 }TCPAccessedServerType;

關(guān)于服務(wù)器對象有三個字段需要說明一下。首先我們來看一看“讀命令列表（uint8_t (*pReadCommand)[12]）”字段，它是12個字節(jié)，這是由Modbus TCP消息格式?jīng)Q定的。如下：

我們看到協(xié)議標(biāo)識符為0，是因?yàn)?就表示Modbus TCP。還有可寫的線圈量列表頭節(jié)點(diǎn)和可寫的保持寄存器列表頭節(jié)點(diǎn)。這兩個字段用來表示對線圈和保持寄存器的列表即數(shù)量。

3.2 、實(shí)例化對象

我們定義了客戶端即服務(wù)器對象類型，我們在使用時就需要實(shí)例化這些對象。一般來說一個IP網(wǎng)段我們將其實(shí)例化為一個客戶端對象。

TCPLocalClientType hgraClient;

/ 初始化TCP客戶端對象 /

InitializeTCPClientObject(&hgraClient,2,hgraServer,NULL,NULL,NULL,NULL);

而一個客戶端對象會管理1到253個服務(wù)器對象，所以我們可以將多個服務(wù)器對象實(shí)例組成數(shù)組，并將其賦予客戶端管理。

TCPAccessedServerType hgraServer[]={{{192,168,0,1},0x00,0x00},{{192,168,1,1},0x00,0x00}};

所以，根據(jù)客戶端和服務(wù)器實(shí)例化的條件，我們需要先實(shí)例化服務(wù)器對象才能完整實(shí)例化客戶端對象。在客戶端的初始化中，我們這里將4的數(shù)據(jù)處理函數(shù)指針初始化為NULL，有一個默認(rèn)的處理函數(shù)會復(fù)制給它，該函數(shù)是上一版本的延續(xù)，在簡單應(yīng)用時簡化操作。服務(wù)器的上一個發(fā)送的命令指針也被賦值為NULL，因?yàn)槌跏紩r還沒有命令發(fā)送。

3.3 、讀服務(wù)器操作

讀服務(wù)器操作原理上與以前的版本是一樣的。按照一定的順序給服務(wù)器發(fā)送命令再對收到的消息進(jìn)行解析。我們對客戶端及其所管理的服務(wù)器進(jìn)行了定義，將發(fā)送命令保存于服務(wù)器對象，將服務(wù)器列表保存于客戶端對象，所以我們需要對解析函數(shù)進(jìn)行修改。

1 /*解析收到的服務(wù)器相應(yīng)信息*/
 2 void ParsingServerRespondMessage(TCPLocalClientType *client,uint8_t *recievedMessage)
 3 {
 4   /*判斷接收到的信息是否有相應(yīng)的命令*/
 5   int cmdIndex=FindCommandForRecievedMessage(client,recievedMessage);
 6  
 7   if((cmdIndex<0))      //沒有對應(yīng)的請求命令，事務(wù)號不相符
 8   {
 9     return;
10   }
11  
12   if((recievedMessage[2]!=0x00)||(recievedMessage[3]!=0x00)) //不是Modbus TCP協(xié)議
13   {
14     return;
15   }
16  
17   if(recievedMessage[7]>0x04)   //功能碼大于0x04則不是讀命令返回
18   {
19     return;
20   }
21  
22   uint16_t mLength=(recievedMessage[4]<<8)+recievedMessage[4];
23   uint16_t dLength=(uint16_t)recievedMessage[8];
24   if(mLength!=dLength+3)        //數(shù)據(jù)長度不一致
25   {
26     return;
27   }
28  
29   FunctionCode fuctionCode=(FunctionCode)recievedMessage[7];
30  
31   if(fuctionCode!=client->pReadCommand[cmdIndex][7])
32   {
33     return;
34   }
35  
36   uint16_t startAddress=(uint16_t)client->pReadCommand[cmdIndex][8];
37   startAddress=(startAddress<<8)+(uint16_t)client->pReadCommand[cmdIndex][9];
38   uint16_t quantity=(uint16_t)client->pReadCommand[cmdIndex][10];
39   quantity=(quantity<<8)+(uint16_t)client->pReadCommand[cmdIndex][11];
40  
41   if(quantity*2!=dLength)       //請求的數(shù)據(jù)長度與返回的數(shù)據(jù)長度不一致
42   {
43     return;
44   }
45  
46   if((fuctionCode>=ReadCoilStatus)&&(fuctionCode<=ReadInputRegister))
47   {
48     HandleServerRespond[fuctionCode-1](client,recievedMessage,startAddress,quantity);
49   }
50 }

解析函數(shù)的主要部分是在檢查接收到的消息是否是合法的Modbus TCP消息。檢查沒問題則調(diào)用協(xié)議站解析。而最后調(diào)用的數(shù)據(jù)處理函數(shù)則是我們需要在具體應(yīng)用中編寫。在前面客戶端初始化時，回調(diào)函數(shù)我們初始化為NULL，實(shí)際在協(xié)議占中有弱化的函數(shù)定義，需要針對具體的寄存器和變量地址實(shí)現(xiàn)操作。

3.4 、寫服務(wù)器操作

寫服務(wù)器操作則是在其它進(jìn)程請求后，我們標(biāo)識需要寫的對象再統(tǒng)一處理。對具體哪個服務(wù)器的寫標(biāo)識存于客戶端實(shí)例。而該服務(wù)器的哪些變量需要寫則記錄在服務(wù)器實(shí)例中。

所以在進(jìn)程檢測到需要寫一個服務(wù)器時則置位對應(yīng)的位，即改變flagWriteServer中的對應(yīng)位。而需要寫該服務(wù)器的哪些變量則標(biāo)記flagPresetCoil和flagPresetReg的對應(yīng)位。修改這些標(biāo)識都在其它請求更改的進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)，而具體的寫操作則在本客戶端進(jìn)程中，檢測到標(biāo)志位的變化統(tǒng)一執(zhí)行。

這部分不修改協(xié)議棧的代碼，因?yàn)楦鞣?wù)器及各變量都只與具體對象相關(guān)聯(lián)，所以在具體的應(yīng)用中修改。

4 、回歸驗(yàn)證

借鑒前面Modbus ASCII和Modbus RTU的回歸測試經(jīng)驗(yàn)，我們設(shè)計(jì)兩個網(wǎng)段、每網(wǎng)段包括一個客戶端及兩個服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但考慮到我們只是功能性驗(yàn)證，所以我們設(shè)計(jì)相對簡單的服務(wù)器。所以我們設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)為：協(xié)議棧建立2個客戶端，每個客戶端管理同一網(wǎng)段的2個服務(wù)器，每個服務(wù)器有8個線圈及2個保持寄存器。具體結(jié)構(gòu)如圖：

從上圖我們知道，該Modbus網(wǎng)關(guān)需要實(shí)現(xiàn)一個Modbus服務(wù)器用于和上位的通訊；需要實(shí)現(xiàn)兩個Modbus客戶端用于和下位的通訊。

在這個實(shí)驗(yàn)中，讀操作沒有什么需要說的，只需要發(fā)送命令解析返回消息即可。所以我們中點(diǎn)描述一下為了方便操作，在需要寫的連續(xù)段，我們只要找到第一個請求寫的位置后，就將后續(xù)連續(xù)可寫數(shù)據(jù)一次性寫入。

告之： 源代碼可上Github下載：https://github.com/foxclever/Modbus