单片机C语言Modbus通信：Modbus协议、实现和应用，连接工业设备

# 1. Modbus协议基础**

Modbus协议是一种工业通信协议，用于在电子设备之间交换数据。它是一种主从架构协议，其中一个设备（主设备）与多个设备（从设备）通信。Modbus协议使用串行通信，通常通过RS-485或以太网。

Modbus协议定义了一组消息格式和功能代码，用于读取和写入从设备中的数据。这些功能代码包括读取离散输入、读取保持寄存器和写入单个寄存器。Modbus协议还支持异常响应，允许从设备在发生错误时通知主设备。

# 2. Modbus协议实现

### 2.1 Modbus主从设备架构

Modbus协议采用主从架构，其中一个设备作为主设备（Master），负责发起请求并控制通信流程；其他设备作为从设备（Slave），负责响应主设备的请求并提供数据。

主设备可以同时连接多个从设备，形成一个Modbus网络。每个从设备都有一个唯一的设备地址，用于标识其在网络中的位置。

### 2.2 Modbus数据类型和寄存器寻址

Modbus协议支持多种数据类型，包括：

- **布尔值 (Coil)**：表示开/关状态
- **离散输入 (Discrete Input)**：表示二进制输入信号
- **保持寄存器 (Holding Register)**：表示16位无符号整数
- **输入寄存器 (Input Register)**：表示16位有符号整数

Modbus协议使用寄存器寻址来访问设备中的数据。寄存器地址是一个16位无符号整数，标识要访问的寄存器的位置。

### 2.3 Modbus通信过程和消息格式

Modbus通信过程遵循以下步骤：

1. **主设备发送请求消息：**主设备向从设备发送一个请求消息，其中包含从设备地址、功能代码和数据（例如，要读取或写入的寄存器地址）。
2. **从设备响应消息：**从设备收到请求消息后，根据功能代码处理请求并发送一个响应消息。响应消息包含从设备地址、功能代码和数据（例如，读取到的寄存器值或写入状态）。
3. **主设备接收响应消息：**主设备收到响应消息后，根据功能代码处理响应并执行相应的操作。

Modbus消息格式如下：

+-----------------------------------------------------------------------+
| 字段 | 长度 | 描述 |
+-----------------------------------------------------------------------+
| 设备地址 | 1 字节 | 从设备的地址 |
| 功能代码 | 1 字节 | 请求或响应的功能 |
| 数据 | 可变 | 请求或响应的数据 |
| CRC校验 | 2 字节 | 校验和 |
+-----------------------------------------------------------------------+

#### 代码示例

以下代码示例展示了主设备发送读取保持寄存器请求消息的过程：

import modbus_tk
import modbus_tk.defines as cst
import modbus_tk.modbus_tcp as modbus_tcp

# 主设备IP地址
master_ip = '192.168.1.1'

# 从设备地址
slave_id = 1

# 要读取的寄存器地址
register_address = 40001

# 读取寄存器的数量
num_registers = 10

# 创建Modbus TCP客户端
client = modbus_tcp.TcpMaster(host=master_ip)

# 发送读取保持寄存器请求
client.execute(slave_id, cst.READ_HOLDING_REGISTERS, register_address, num_registers)

# 接收从设备响应
response = client.execute(slave_id, cst.READ_HOLDING_REGISTERS, register_address, num_registers)

# 打印读取到的寄存器值
print(response)

#### 逻辑分析

该代码首先创建了一个Modbus TCP客户端，然后发送一个读取保持寄存器请求消息。请求消息包含从设备地址、功能代码（读取保持寄存器）、要读取的寄存器地址和要读取的寄存器数量。

从设备收到请求消息后，读取指定的寄存器并发送一个响应消息。响应消息包含从设备地址、功能代码和读取到的寄存器值。

主设备收到响应消息后，打印读取到的寄存器值。

# 3. Modbus应用实践

### 3.1 Modbus从设备实现

#### 3.1.1 从设备数据处理

从设备在收到主设备的请求消息后，需要对请求消息进行解析，提取出请求的寄存器地址、数据长度等信息。然后根据请求的信息，从设备从其内部存储器中读取或写入相应的数据。

def process_request(self, request_message):
    """解析请求消息，提取请求信息"""
    # 解析请求消息
    function_code = request_message[1]
    start_address = int.from_bytes(request_message[2:4], "big")
    num_registers = int.from_bytes(request_message[4:6], "big")

    # 根据请求信息读取或写入数据
    if function_code == 3:  # 读寄存器
        data = self.read_registers(start_address, num_registers)
    elif function_code == 16:  # 写单个寄存器
        data = self.write_register(start_address, request_message[6:8])
    elif function_code == 16:  # 写多个寄存器
        data = self.write_registers(start_address, request_message[6:])

    # 构建响应消息
    response_message = bytearray()
    response_message.append(request_message[0])  # 从设备地址
    respons