Протокол Modbus RTU

Modbus RTU, ASCII и TCP: чем они отличаются

Запросы и ответы Modbus одинаковы в любой сети: это PDU (protocol data unit) — код функции и данные. Варианты протокола различаются тем, во что PDU упаковывают для передачи: RTU (Remote Terminal Unit) и ASCII — два режима последовательной линии, Modbus TCP — вариант для сетей TCP/IP.

В последней строке — один и тот же запрос. В RTU он занимает 8 символов по 11 бит, то есть 88 бит на линии, в ASCII — 17 символов по 10 бит, 170 бит. В примере для TCP первые семь байт — заголовок MBAP: номер транзакции 0x0001, идентификатор протокола 0x0000, длина 0x0006 и Unit Identifier 0x11; значения LRC и заголовка посчитаны нами по правилам из спецификаций.

На последовательной линии все устройства обязаны поддерживать режим RTU, и он же должен быть включён по умолчанию; ASCII — необязательное дополнение. Режим и параметры порта должны быть одинаковыми у всех устройств одной линии. ASCII вдвое менее плотный, зато терпит паузы между символами до секунды: руководство оставляет его для случаев, когда оборудование или канал связи не могут выдержать паузы RTU.

Modbus TCP несёт те же PDU. Адрес ведомого в нём заменён байтом Unit Identifier, по которому шлюз между Ethernet и последовательной линией узнаёт, какому ведомому предназначен запрос.

Физический уровень: RS-485 и RS-232

Для новых устройств руководство рекомендует двухпроводный RS-485; четырёхпроводный вариант и RS-232 — дополнительные возможности. Электрические параметры RS-485 — уровни, единичные нагрузки, расчёт смещения, выбор трансивера — разобраны в статье RS-485; здесь только то, что к ним добавляет Modbus.

Двухпроводная линия: D1, D0 и Common

В двухпроводной схеме все устройства подключены параллельно к магистральному кабелю из трёх проводников: витой пары D1 и D0 и общего провода Common. В каждый момент передаёт только один передатчик. Руководство требует называть цепи в документации устройств именно так — D1, D0 и Common.

UART в паузе передаёт единицу, поэтому в простое D1 положительнее D0. Отсюда практическое правило: D1 — линия, которую в паузе подтягивают к плюсу. По тексту стандарта TIA/EIA-485 это линия B, а у микросхем она обычно называется A: у SP3485, например, A — неинвертирующий вывод, и при единице на входе передатчика на нём высокий уровень. Как не запутаться в буквах на клеммах приборов — в разделе «A и B: почему их путают».

Общий провод обязателен: это третий проводник того же кабеля. Его соединяют с защитной землёй напрямую и желательно только в одной точке шины — обычно у ведущего или у его ответвителя. Кабель должен быть экранированным; экран соединяют с защитной землёй на одном конце каждого отрезка.

Терминаторы и поляризация линии

Терминаторы (line termination, LT) ставят у каждого из двух концов магистрали, между D1 и D0. Правила руководства:

• на одной паре — не больше двух терминаторов, и никогда — на отводе;
• подходит резистор 150 Ом мощностью 0,5 Вт;
• если на шине есть поляризация, лучше цепочка из резистора 120 Ом (0,25 Вт) и конденсатора 1 нФ (на напряжение не ниже 10 В), включённых последовательно: постоянный ток через такой терминатор не течёт;
• в четырёхпроводной схеме терминируют каждую пару на обоих концах; на RS-232 терминаторы не ставят.

Поляризация (в статье про RS-485 — смещение, failsafe) нужна, чтобы в паузе, когда все передатчики выключены, приёмники видели определённый уровень, а не шум. Руководство обязывает производителя указать в документации каждого устройства, нужна ли ему поляризация линии и умеет ли оно обеспечить её само. Если поляризация нужна хотя бы одному устройству, на шину ставят одну пару резисторов:

• подтягивающий — от D1 к напряжению 5 В;
• стягивающий — от D0 к Common;
• сопротивление каждого — от 450 до 650 Ом; с резисторами 650 Ом на линии помещается больше устройств.

Поляризацию делают в одном месте на всю шину, обычно у ведущего или у его ответвителя; остальные устройства включать её не должны. Допустимое число устройств на линии при этом уменьшается на 4.

Наш расчёт для проверки этих номиналов: два резистивных терминатора по 150 Ом вместе дают 75 Ом, и ток через резисторы поляризации создаёт на них в паузе примерно 0,38 В при 450 Ом и 0,27 В при 650 Ом — выше порога приёмника RS-485 в 200 мВ, но без большого запаса; входы приёмников нагружают линию дополнительно и немного снижают это напряжение. С терминаторами 120 Ом + 1 нФ постоянный ток через терминаторы не течёт, и напряжение в паузе получается намного выше. Посчитать его для своей шины можно калькулятором резисторов смещения.

Длина линии, отводы и число устройств

Предельная длина зависит от скорости, кабеля, числа нагрузок и схемы включения. Адресов при этом больше, чем допускает электрика: адресовать можно 247 ведомых, а на одном сегменте без повторителя гарантированно работают 32 устройства.

Четырёхпроводная линия и RS-232

Четырёхпроводная схема — две пары и Common. По паре ведущего (RXD1–RXD0) передаёт только ведущий, и её слушают все ведомые; по паре ведомых (TXD1–TXD0) отвечают ведомые, и её слушает только ведущий. Цепи названы со стороны ведомого, поэтому у ведущего пары перекрещивают — кабелем или, что надёжнее, в ответвителе. Руководство отдельно замечает, что называть такую схему RS-422 неверно: RS-422 не допускает нескольких передатчиков на одной паре. Устройство с четырёхпроводным портом включают в двухпроводную шину, соединив у него TXD0 с RXD0 (получается D0) и TXD1 с RXD1 (получается D1).

RS-232 годится для соединения «точка — точка» на коротком расстоянии, по руководству — обычно меньше 20 м. TXD одного устройства соединяют с RXD другого, обязателен общий провод; RTS с CTS и DTR с DSR соединяют, если устройствам это нужно. Ограничение стандарта — ёмкость проводника на землю не больше 2500 пФ, что для кабеля с ёмкостью 100 пФ/м даёт 25 м. Кадры при этом те же, что и на RS-485; уровни и разъёмы — в статье RS-232. В руководстве Modicon 1996 года стандартный порт Modbus контроллера — именно RS-232C.

Разъёмы и цвета проводов

Винтовые клеммы допустимы всегда. Если же на устройстве стоит RJ45 или 9-контактный D-sub (DE-9), руководство требует такой разводки двухпроводного порта:

Рекомендованные цвета жил кабеля: D1 — жёлтый, D0 — коричневый, Common — серый. Перекрёстный кабель, включённый в двухпроводную шину, может повредить устройства — руководство требует предупреждать об этом в документации.

Формат символа: 11 бит, чётность и скорость

Каждый байт кадра RTU передаётся одним символом UART из 11 бит: старт-бит, 8 бит данных младшим битом вперёд, бит чётности и стоп-бит.

Правила руководства:

• Чётность even обязательна и включена по умолчанию. Формат по умолчанию — 8E1. Чётность odd (8O1) и режим без чётности допускаются как настраиваемые; режим без чётности руководство рекомендует поддерживать ради совместимости с другими изделиями.
• Без чётности — два стоп-бита. Место бита чётности занимает второй стоп-бит, формат называется 8N2, и символ остаётся 11-битным. Формат 8N1 — 10 бит на символ — руководству не соответствует.
• Настройки одинаковы у всех устройств линии. Ведомый, настроенный на другую чётность, увидит ошибку в символах запроса и просто не ответит.

Если в описании прибора всё же указано 8N1, с устройствами 8N2 он, скорее всего, договорится: приёмники USART микроконтроллеров AVR и STM32 и UART 16550 проверяют только первый стоп-бит, а второй для них — просто пауза (подробнее — в статье про UART). Чётность так обойти нельзя: 8E1 и 8N1 или 8N2 несовместимы.

Бит чётности ловит нечётное число искажённых битов в символе, CRC — искажения кадра в целом. Проверку CRC руководство требует всегда, проверку чётности — рекомендует.

В таблице классов устройств то же руководство мягче: для класса Basic обязательны только 9600 бит/с, а 19 200 бит/с рекомендованы и становятся значением по умолчанию, если реализованы.

Точность скорости тоже задана: передатчик должен выдерживать её с отклонением меньше 1 %, а приёмник — принимать при отклонении до 2 %. Ошибку делителя своего микроконтроллера проверьте в калькуляторе скорости UART: ATmega328P с кварцем 16 МГц даёт на 19 200 бит/с ошибку +0,16 %, а на 115 200 бит/с — +2,1 или −3,5 %, что в требование к передатчику уже не укладывается.

Структура кадра Modbus RTU

Что важно помнить:

• В поле адреса всегда адрес ведомого — и в запросе, и в ответе: отвечая, ведомый ставит в кадр собственный адрес, чтобы ведущий видел, кто ответил. У ведущего адреса нет. Адреса на шине должны быть уникальными: руководство требует предупреждать в документации, что два устройства с одним адресом нарушают работу всей шины.
• Порядок байтов — старший первым (big-endian): адрес регистра 0x006B передаётся как 00 6B, значение 0x1234 — как 12 34. Единственное исключение — CRC, у неё первым идёт младший байт.
• Порядок битов — младший первым: так передаёт UART, и бит D0 символа на осциллограмме — младший бит байта.
• Наибольший кадр — 256 байт. На PDU остаётся 256 − 1 (адрес) − 2 (CRC) = 253 байта, из них один — код функции. Отсюда пределы функций: например, не больше 125 регистров в одном ответе.
• Наименьший кадр — 4 байта: адрес, код функции и CRC — у запросов без поля данных.
• Коды функций занимают диапазон 1–127; значения 128–255 отведены под ответы с ошибкой, ноль недопустим.

Собрать кадр из полей и разобрать принятый кадр по байтам удобно в калькуляторе кадров Modbus RTU.

Паузы t1,5 и t3,5: как приёмник находит границы кадра

В кадре RTU нет ни стартового символа, ни поля длины. Начало и конец кадра задаёт время:

• $t_{3,5}$ — тишина между кадрами. Кадры разделяет пауза не короче 3,5 символа. Приёмник считает кадр законченным, когда после очередного символа линия молчит дольше $t_{3,5}$.
• $t_{1,5}$ — наибольшая пауза внутри кадра. Кадр передаётся сплошным потоком. Если между двумя символами тишина длится больше 1,5 символа, кадр считается неполным, и приёмник должен его отбросить.

Символ — это 11 бит, поэтому при скорости $v$ бит/с:

На высоких скоростях интервалы становятся короткими, а таймеры срабатывают часто и нагружают процессор. Поэтому руководство требует строго выдерживать оба интервала только до 19 200 бит/с включительно, а на более высоких скоростях рекомендует постоянные значения: 750 мкс для $t_{1,5}$ и 1,75 мс для $t_{3,5}$.

На 115 200 бит/с постоянные 1,75 мс — это больше 18 символов, а 750 мкс — почти 8: пауза между кадрами получается намного длиннее расчётных 3,5 символа, зато требование к паузам внутри кадра мягче.

Приём по диаграмме состояний руководства идёт так:

1. Первый символ после тишины — начало кадра. С каждым принятым символом приёмник перезапускает оба таймера.
2. Если истёк таймер $t_{1,5}$, новых символов в этом кадре быть уже не должно: приёмник проверяет CRC, чётность символов и адрес.
3. Символ, который пришёл после $t_{1,5}$, но до истечения $t_{3,5}$, помечает кадр как ошибочный.
4. Когда истекает $t_{3,5}$, исправный кадр передаётся на обработку, ошибочный удаляется целиком. Только после этого устройство возвращается в состояние ожидания, из которого можно начинать и приём, и передачу.

Из последнего пункта следует, что ведомый начинает ответ не раньше чем через $t_{3,5}$ после последнего символа запроса, а ведущий — следующий запрос не раньше чем через $t_{3,5}$ после ответа. Адрес руководство разрешает сравнивать сразу, не дожидаясь конца кадра: тогда CRC считают только для кадров со своим или широковещательным адресом.

Как это делают на практике:

• Таймер в микроконтроллере. Таймер перезапускают в прерывании приёма каждого байта; если он досчитал до $t_{3,5}$, кадр закончен. Учтите, что прерывание приходит в конце символа: между прерываниями двух символов, идущих вплотную, проходит ровно один символ. Поэтому паузе в 1,5 символа соответствует интервал 2,5 символа между прерываниями.
• Аппаратный таймаут приёмника. У USART некоторых микроконтроллеров есть счётчик тишины на линии. В STM32F0, например, библиотека HAL задаёт его функцией HAL_UART_ReceiverTimeout_Config() в длительностях бита и включает функцией HAL_UART_EnableReceiverTimeout(); $t_{3,5}$ — это 38,5 бита.
• Ведущий на компьютере. Кадр записывают в порт одним вызовом, а не побайтно: так меньше риск получить паузу между символами.

Модель данных: катушки, входы и регистры

Modbus представляет устройство как четыре таблицы данных:

Названия пришли из контроллеров Modicon: катушкой (coil) там назывался дискретный выход. В каждой таблице протокол позволяет адресовать 65 536 элементов. Как таблицы связаны с памятью прибора, решает производитель: это могут быть четыре независимых блока, а могут быть разные способы доступа к одной и той же памяти — тогда один регистр читается и функцией 03, и функцией 04, а его биты доступны как катушки. Спецификация прямо называет такое наложение таблиц допустимым и очень распространённым.

Других типов данных, кроме бита и 16-битного слова, в протоколе нет. Знаковое число или беззнаковое, с каким множителем, в каких единицах — всё это описывает карта регистров конкретного прибора.

Номер регистра и адрес в кадре: ошибка на единицу

В модели данных элементы каждой таблицы нумеруются с единицы, а в кадре адресуются с нуля: элемент с номером X имеет адрес X − 1. Регистр хранения номер 1 — это адрес 0x0000, регистр номер 108 — адрес 107, то есть 0x006B.

В документации приборов поверх этого часто используется запись из контроллеров Modicon: перед номером элемента стоит цифра таблицы.

Первая цифра в кадр не попадает: таблицу выбирает код функции. Регистр 40108 — это функция 03 и адрес 40108 − 40001 = 107 = 0x006B. Пятизначная запись вмещает только 9999 элементов таблицы; чтобы охватить все 65 536, пишут шесть цифр: 400001–465536.

Отсюда три типичные ловушки:

• Сдвиг на единицу. В описании прибора может стоять и номер (с единицы), и адрес (с нуля), и не всегда сказано, что именно. Программы-ведущие тоже ведут себя по-разному: драйвер Kepware, например, по умолчанию вычитает единицу из введённого номера и позволяет это отключить. Если вместо ожидаемого значения читается соседний регистр, проверьте адрес на ±1.
• Цифра таблицы принята за часть адреса. Запрос с адресом 40108 (0x9CAC) вместо 107 обращается к совсем другому регистру и обычно заканчивается ошибкой 02.
• Не та таблица. Регистр 30010 читают функцией 04, регистр 40010 — функцией 03: это разные таблицы, даже если цифры после первой совпадают. Обратите внимание на несовпадение цифр: запись 4x — это функция 03, а запись 3x — функция 04.

Коды функций Modbus

Код функции говорит ведомому, что сделать. Спецификация делит коды на публичные — они описаны в самой спецификации, — пользовательские (65–72 и 100–110) и зарезервированные. Чаще всего нужны восемь функций:

Пределы следуют из размера PDU — 253 байта. Ответ на чтение 125 регистров — это код функции, счётчик байтов и 250 байт данных, всего 252 байта; 126 регистров дали бы уже 254. Запрос на запись 123 регистров занимает 1 + 2 + 2 + 1 + 246 = 252 байта. Широковещательными бывают только запросы на запись.

Устройство не обязано поддерживать все функции: их список приводят в документации. На неподдерживаемый код оно отвечает ошибкой 01.

В примерах ниже адрес ведомого — 17 (0x11), как в руководстве Modicon. Коды функций и данные взяты из примеров спецификации V1.1b3, CRC посчитаны нами; любой кадр можно проверить в калькуляторе CRC.

Чтение битов: функции 01 и 02

Биты упакованы так: младший бит первого байта данных — элемент с адресом из запроса, следующие идут к старшему биту и дальше в следующие байты. Лишние биты последнего байта равны нулю.

Функция 01, катушки 20–38:
Запрос:  11 01 00 13 00 13 8E 92
Ответ:   11 01 03 CD 6B 05 40 12

Функция 02, дискретные входы 197–218:
Запрос:  11 02 00 C4 00 16 BA A9
Ответ:   11 02 03 AC DB 35 20 18

В первом запросе адрес первой катушки 0x0013 = 19, количество 0x0013 = 19. В ответе три байта данных. Первый, CD = 1100 1101, — катушки 27…20: катушка 20 — младший бит, она включена. Последний, 05 = 0000 0101, — катушки 38, 37 и 36 в трёх младших битах; пять старших битов — нули. Во втором запросе адрес 0x00C4 = 196, количество 0x0016 = 22; байт AC = 1010 1100 — входы 204…197, байт 35 = 0011 0101 — входы 218…213.

Чтение регистров: функции 03 и 04

Функция 03, регистры хранения 108–110:
Запрос:  11 03 00 6B 00 03 76 87
Ответ:   11 03 06 02 2B 00 00 00 64 C8 BA

Функция 04, входной регистр 9:
Запрос:  11 04 00 08 00 01 B2 98
Ответ:   11 04 02 00 0A F8 F4

В первом ответе 6 байт данных: 0x022B = 555, 0x0000 = 0 и 0x0064 = 100. Во втором запросе адрес 0x0008, количество 1, значение регистра — 0x000A = 10.

Длина обычного ответа на функции 03 и 04 известна заранее: 5 + 2 × количество байт. Ведущему это удобно: зная длину, он может проверить CRC сразу после последнего байта — паузу $t_{3,5}$ перед следующим запросом это не отменяет. Ответ с ошибкой всегда занимает 5 байт.

Запись одного значения: функции 05 и 06

Функция 05, включить катушку 173:
Запрос:  11 05 00 AC FF 00 4E 8B
Ответ:   11 05 00 AC FF 00 4E 8B

Функция 06, записать 0x0003 в регистр 2:
Запрос:  11 06 00 01 00 03 9A 9B
Ответ:   11 06 00 01 00 03 9A 9B

Для функции 05 допустимы только два значения: FF 00 включает катушку, 00 00 выключает; на любое другое устройство отвечает ошибкой 03 и катушку не трогает. Ответ приходит после того, как запись выполнена, и повторяет запрос байт в байт — ведущему достаточно сравнить два кадра.

Запись группы: функции 15 и 16

Функция 15, записать 10 катушек начиная с катушки 20:
Запрос:  11 0F 00 13 00 0A 02 CD 01 BF 0B
Ответ:   11 0F 00 13 00 0A 26 99

Функция 16, записать 0x000A и 0x0102 в регистры 2 и 3:
Запрос:  11 10 00 01 00 02 04 00 0A 01 02 C6 F0
Ответ:   11 10 00 01 00 02 12 98

В первом запросе два байта данных, CD 01: байт CD задаёт катушки 27…20, два младших бита байта 01 — катушки 29 и 28. Счётчик байтов должен соответствовать количеству: если они не сходятся, устройство отвечает ошибкой 03.

Многие приборы сторонних производителей принимают запись в регистры только функцией 16, даже когда регистр один, — об этом предупреждает документация драйвера Kepware. 32-битное значение, занимающее два регистра, в любом случае записывают одной командой 16, чтобы половины не разошлись.

Функции 22, 23 и 43/14

• 22 (0x16), Mask Write Register, устанавливает и сбрасывает отдельные биты регистра хранения, не затрагивая остальные. В запросе — адрес регистра и две маски, And_Mask и Or_Mask; результат = (текущее значение AND And_Mask) OR (Or_Mask AND NOT And_Mask). Пример спецификации: в регистре 5 (адрес 4) записано 0x12, And_Mask = 0x00F2, Or_Mask = 0x0025 — получится 0x17. Кадр — 11 16 00 04 00 F2 00 25 66 E2, ответ повторяет запрос.
• 23 (0x17), Read/Write Multiple registers, записывает и читает регистры хранения за одну транзакцию; запись выполняется первой. За один запрос — до 121 регистра на запись и до 125 на чтение.
• 43/14 (0x2B/0x0E), Read Device Identification, читает текстовые сведения об устройстве. Обязательные объекты — название производителя, код изделия и номер версии; остальные — по выбору производителя. Запрос основных сведений: 11 2B 0E 01 00 B1 B4.

Диагностика: функция 08

Функции 07, 08, 11, 12 и 17 определены только для последовательной линии. При отладке полезнее всего функция 08 (Diagnostics) с подфункцией 0x0000, Return Query Data: ведомый возвращает запрос без изменений.

Запрос:  11 08 00 00 A5 37 D8 1D
Ответ:   11 08 00 00 A5 37 D8 1D

Это «пинг» Modbus: он не обращается к данным прибора и проверяет весь путь — провода, скорость, чётность, адрес и CRC. Другие подфункции возвращают счётчики, которые ведомый ведёт сам:

Поддерживает ли прибор функцию 08, сказано в его документации. С подфункцией 0x04 осторожнее: она переводит устройство в режим «только приём», и оно перестаёт отвечать, пока не получит подфункцию 0x01 — перезапуск связи.

Коды ошибок Modbus: ответ с исключением

На запрос ведомый реагирует одним из трёх способов:

• запрос принят без ошибок связи и выполнен — обычный ответ;
• запрос не дошёл или дошёл с ошибкой связи (чётность, CRC) — ответа нет, и у ведущего истекает таймаут;
• запрос принят без ошибок связи, но выполнить его нельзя — ответ с ошибкой (exception response).

В ответе с ошибкой код функции возвращается с установленным старшим битом, то есть увеличенным на 0x80, а единственный байт данных — код исключения:

Запрос:  11 01 04 A1 00 01 AF 88     прочитать одну катушку по адресу 0x04A1
Ответ:   11 81 02 C0 54              0x81 = 0x01 + 0x80, код исключения 02

Уточнения из спецификации:

• Код 02 зависит и от количества. Если в устройстве 100 регистров с адресами 0–99, запрос четырёх регистров с адреса 96 выполнится, а запрос пяти вернёт ошибку 02.
• Код 03 говорит о неправильном строении запроса, а не о том, что значение не подходит прибору по смыслу: протокол не знает, что означает содержимое регистров.
• Сначала проверяется код функции, затем параметры запроса — количество и адреса, — и только потом запрос выполняется. Поэтому код 01 означает, что до проверки адреса дело не дошло.
• На широковещательный запрос не отвечают никогда — ни обычным ответом, ни ошибкой.

В старых документах коды 04 и 06 называются SLAVE DEVICE FAILURE и SLAVE DEVICE BUSY, а в руководстве Modicon 1996 года был ещё код 07, NEGATIVE ACKNOWLEDGE; в действующей спецификации его нет.

CRC-16 в Modbus RTU: алгоритм и код на C

Последние два байта кадра — 16-битная CRC, рассчитанная по всем остальным байтам: адресу, коду функции и данным. В расчёт входят только восемь бит данных каждого символа — старт-бит, стоп-бит и бит чётности в нём не участвуют. Алгоритм по приложению B руководства:

1. Загрузить в 16-битный регистр значение 0xFFFF.
2. Сложить по модулю 2 (XOR) очередной байт кадра с младшим байтом регистра.
3. Сдвинуть регистр на один бит вправо, в старший бит вдвинуть ноль.
4. Если выдвинутый бит был единицей, сложить регистр по модулю 2 с константой 0xA001.
5. Повторить шаги 3 и 4, пока не будет сделано восемь сдвигов.
6. Повторить шаги 2–5 для всех байтов кадра. То, что осталось в регистре, и есть CRC.

В кадр CRC записывают младшим байтом вперёд: если в регистре 0x1241, в линию уходит 41, затем 12. Константа 0xA001 — это порождающий полином x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1 (0x8005), записанный в обратном порядке битов; в каталогах алгоритм называется CRC-16/MODBUS.

#include <stddef.h>
#include <stdint.h>

/* CRC-16/MODBUS: initial value 0xFFFF, polynomial 0xA001 (0x8005 reflected), no final XOR.
 * Check: for the bytes 02 07 the result is 0x1241, on the wire 41 12
 * (the example in MODBUS over Serial Line V1.02, Appendix B). */
uint16_t modbus_crc16(const uint8_t *data, size_t len)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;

    while (len--) {
        crc ^= *data++;                              /* the byte goes into the low half */
        for (uint8_t bit = 0; bit < 8; bit++) {
            if (crc & 0x0001)
                crc = (uint16_t)((crc >> 1) ^ 0xA001);
            else
                crc >>= 1;
        }
    }
    return crc;
}

/* Appends the CRC to a frame of len bytes, low byte first. Returns the new length. */
size_t modbus_append_crc(uint8_t *frame, size_t len)
{
    uint16_t crc = modbus_crc16(frame, len);

    frame[len] = (uint8_t)(crc & 0xFF);              /* CRC low byte goes first */
    frame[len + 1] = (uint8_t)(crc >> 8);            /* CRC high byte is the last byte */
    return len + 2;
}

/* A received frame is intact if the CRC over all its bytes, the CRC field included, is zero. */
int modbus_frame_ok(const uint8_t *frame, size_t len)
{
    return len >= 4 && modbus_crc16(frame, len) == 0;
}

Проверить реализацию можно на примере из руководства: для кадра из двух байтов 02 07 в регистре получается 0x1241, и в линию уходит 41 12 — в руководстве итог так и записан, 4112, в порядке передачи. Второй ориентир — контрольное значение каталогов: CRC строки «123456789» равна 0x4B37. Этот и два следующих листинга собраны компилятором MSVC с предупреждениями уровня 4 и проверены на значениях из примеров статьи.

Приёмнику не обязательно сравнивать CRC с двумя последними байтами: если прогнать через тот же алгоритм весь кадр вместе с CRC, в регистре останется ноль. Кадр короче четырёх байтов заведомо негоден.

Табличный вариант. Побитовый расчёт делает восемь итераций на байт. Табличный быстрее: значения для всех 256 возможных байтов считают заранее, и на байт кадра уходит одно обращение к таблице. В приложении B руководства приведена такая функция с двумя таблицами по 256 байт — для старшего и для младшего байта CRC. Готовый код обоих вариантов выдаёт калькулятор CRC; им же удобно проверять кадры.

Если берёте функцию из руководства, проверьте её на том же примере. Мы воспроизвели оба листинга: в редакции V1.02 функция возвращает 0x1241 — обычное значение, младший байт которого передаётся первым, — хотя примечание рядом утверждает, что байты уже переставлены. Примечание осталось от руководства Modicon 1996 года, где такая же функция действительно возвращала 0x4112.

Пример: собираем запрос и разбираем ответ

Задача: прочитать регистры хранения 40108–40110 у прибора с адресом 17 на скорости 9600 бит/с в формате 8E1.

1. Функция. Запись 4xxxx означает регистры хранения — функция 03.
2. Адрес. 40108 − 40001 = 107 = 0x006B.
3. Количество. Три регистра — 0x0003.
4. Кадр без CRC: 11 03 00 6B 00 03.
5. CRC. Регистр начинается с 0xFFFF и после каждого байта принимает значения из таблицы ниже. Итог — 0x8776, в кадр идут байты 76 87.
6. Запрос целиком: 11 03 00 6B 00 03 76 87 — 8 символов по 11 бит, 9,17 мс на линии.

Ответ прибора: 11 03 06 02 2B 00 00 00 64 C8 BA. Проверяем по порядку:

1. CRC по всем 11 байтам равна нулю — кадр не искажён.
2. Адрес 0x11 — ответил тот, кого спрашивали.
3. Код функции 0x03, а не 0x83, — это обычный ответ, а не ошибка.
4. Счётчик байтов 0x06 = 2 × 3, длина кадра 5 + 6 = 11 байт — сходится с запросом.
5. Данные: 0x022B = 555, 0x0000 = 0, 0x0064 = 100.

То же самое на C — с функциями расчёта CRC из предыдущего раздела:

/* Builds a "read holding registers" request (function 03). Returns the frame length: 8. */
size_t modbus_read_holding_request(uint8_t *frame, uint8_t slave,
                                   uint16_t address, uint16_t count)
{
    frame[0] = slave;
    frame[1] = 0x03;
    frame[2] = (uint8_t)(address >> 8);              /* high byte first */
    frame[3] = (uint8_t)(address & 0xFF);
    frame[4] = (uint8_t)(count >> 8);
    frame[5] = (uint8_t)(count & 0xFF);
    return modbus_append_crc(frame, 6);
}

/* Checks the response to that request and copies the register values.
 * Returns 0 on success, the exception code (1..255) if the slave refused the request,
 * -1 if the frame is damaged, comes from another slave or has an unexpected layout. */
int modbus_read_holding_response(const uint8_t *frame, size_t len, uint8_t slave,
                                 uint16_t count, uint16_t *values)
{
    if (!modbus_frame_ok(frame, len) || frame[0] != slave)
        return -1;
    if (frame[1] == 0x83)                            /* exception: 03 + 0x80, code, CRC */
        return len == 5 ? frame[2] : -1;
    if (frame[1] != 0x03 || len != 5u + 2u * count || frame[2] != 2u * count)
        return -1;
    for (uint16_t i = 0; i < count; i++)
        values[i] = (uint16_t)((frame[3 + 2 * i] << 8) | frame[4 + 2 * i]);
    return 0;
}

Сколько времени занимает опрос. Запрос — 9,17 мс, пауза перед ответом — не меньше $t_{3,5}$ = 4,01 мс, ответ из 11 символов — 12,6 мс, пауза перед следующим запросом — ещё 4,01 мс. Итого не меньше 29,8 мс, то есть не больше 33 опросов в секунду, — и это без времени, которое прибор тратит на обработку запроса. Чтение 125 регистров одним запросом (ответ — 255 байт) займёт на той же скорости около 0,31 с.

Обмен ведущего и ведомых: таймаут, широковещательный запрос, повторы

Адресный запрос (unicast). Ведущий отправляет кадр с адресом ведомого и запускает таймер ожидания — таймаут ответа (response time-out). Ведомый проверяет кадр, выполняет запрос и отвечает. Пока ответ не получен или таймаут не истёк, новый запрос отправлять нельзя: на шине в каждый момент идёт только одна транзакция.

Широковещательный запрос (broadcast). Кадр с адресом 0 принимают и выполняют все ведомые, и никто не отвечает. Широковещательными бывают только команды записи; в руководстве Modicon это функции 05, 06, 15 и 16. Раз ответа нет, ведущий не знает, дошла ли команда. Он лишь выдерживает паузу (turnaround delay), чтобы ведомые успели обработать запрос, и только потом передаёт снова.

Что делает ведущий с ответом:

• ответ от нужного ведомого без ошибок — транзакция завершена;
• ответ от другого ведомого — ведущий его не принимает и продолжает ждать, таймаут не перезапускается;
• кадр с ошибкой CRC или чётности — запрос можно повторить;
• ответа нет — по истечении таймаута фиксируется ошибка, после чего запрос можно повторить. Число повторов руководство оставляет на усмотрение ведущего.

Оба интервала зависят от приложения. Ориентиры руководства: таймаут ответа — от 1 с до нескольких секунд при 9600 бит/с, пауза после широковещательного запроса — 100–200 мс. Таймаут должен покрывать самую долгую обработку запроса самым медленным ведомым; пауза после широковещательного запроса короче, потому что ответ передавать не нужно.

Два практических следствия:

• Отсутствующий прибор тормозит опрос остальных. При каждом обращении к нему ведущий ждёт полный таймаут. С таймаутом 1 с и тремя попытками один неотвечающий адрес останавливает опрос на 3 с — такие адреса исключают из опроса или опрашивают реже.
• Слишком короткий таймаут хуже слишком длинного. Опоздавший ответ придёт, когда ведущий уже передаёт следующий запрос: кадры столкнутся на шине либо ведущий примет старый ответ за новый.

32-битные числа и float в двух регистрах

Регистр Modbus — 16 бит, и других числовых типов в протоколе нет. 32-битное целое или число с плавающей запятой прибор раскладывает на два соседних регистра, 64-битное — на четыре. Внутри регистра порядок определён — старший байт первым, — а в каком регистре лежит старшая половина числа, спецификация не говорит. Производители решили это по-разному, и вариантов четыре. Их принято обозначать буквами — так делают, например, библиотеки libmodbus и ESP-Modbus: A — старший байт числа, D — младший.

Если порядок в документации прибора не указан, его определяют так:

1. Прочитайте оба регистра одним запросом: между двумя отдельными запросами значение может измениться, и половины окажутся от разных чисел.
2. Возьмите параметр, значение которого известно хотя бы приблизительно: напряжение сети, температуру в комнате, уставку, которую видно на экране прибора.
3. Расшифруйте четыре байта всеми четырьмя способами. Правильный порядок даст правдоподобное число, остальные — абсурдные. Например, байты 43 66 80 00 — это 230,5 в порядке ABCD и −2,4 · 10⁻⁴¹, 2,3 · 10²³ или 1,2 · 10⁻³⁸ в трёх остальных.
4. У целых счётчиков смотрите, какой регистр меняется чаще: быстро меняющаяся половина — младшая.

Все четыре варианта сразу показывает калькулятор кадров Modbus RTU в режиме разбора ответа.

#include <stdint.h>
#include <string.h>

/* Builds an IEEE 754 single-precision value from two registers.
 * ABCD order: modbus_to_float(reg[0], reg[1]).
 * CDAB order (word swap): modbus_to_float(reg[1], reg[0]).
 * Check: modbus_to_float(0x47F1, 0x2000) == 123456.0f.
 * Assumes that float is a 32-bit IEEE 754 type, as on ARM, AVR and x86. */
float modbus_to_float(uint16_t high_word, uint16_t low_word)
{
    uint32_t bits = ((uint32_t)high_word << 16) | low_word;
    float value;

    memcpy(&value, &bits, sizeof value);             /* copy the bit pattern, no pointer casts */
    return value;
}

Для порядков BADC и DCBA сначала меняют местами байты в каждом регистре — получаются соответственно ABCD и CDAB. Та же неоднозначность — у 64-битных чисел и у строк: в регистре помещаются два символа, и какой из них первый, тоже зависит от прибора.

Типичные ошибки

Про управление передатчиком стоит сказать отдельно. Ведомый вправе начать ответ уже через $t_{3,5}$ после запроса — это 4 мс при 9600 бит/с и 1,75 мс на высоких скоростях. К этому моменту ведущий должен отпустить шину, но не раньше, чем уйдёт стоп-бит последнего байта CRC. По какому флагу UART снимать сигнал DE, разобрано в статье про RS-485, в разделе «Когда включать и выключать передатчик».

Как отлаживать Modbus RTU

1. Сначала линия. При выключенном питании омметр между D1 и D0 должен показать около 75 Ом, если стоят два терминатора по 150 Ом, или около 60 Ом, если два по 120 Ом. Терминаторы 120 Ом + 1 нФ омметр «не видит» — конденсатор не пропускает постоянный ток. Под напряжением в паузе D1 должна быть положительнее D0 не меньше чем на 0,2 В, если поляризация включена. Остальные проверки — в разделе «Как проверить и отладить линию RS-485».
2. Параметры порта. Скорость, 8 бит данных, чётность и число стоп-битов должны совпадать у ведущего и всех ведомых. По руководству значения по умолчанию — 19 200 бит/с и 8E1, но заводские настройки конкретного прибора нужно смотреть в его документации.
3. Один ведомый, простой запрос. Оставьте на шине одно устройство и отправьте самое простое: чтение одного регистра функцией 03 или эхо-запрос функцией 08. Запрос соберите в калькуляторе кадров, чтобы исключить ошибку в CRC.
4. Смотрите байты. Логический анализатор с декодером UART на выводах RO и DI трансивера покажет запрос и ответ побайтно; декодеру нужно задать тот же формат символа, иначе он покажет ошибки чётности. Второй способ — слушать шину отдельным переходником USB–RS-485.
5. Тишина или ошибка? Ответа нет — ищите проблему на уровне связи: адрес, скорость, чётность, CRC, паузы внутри кадра. Пришёл ответ с ошибкой — связь работает, а неверны функция, адрес или количество.
6. Паузы и направление. Проверьте, что запрос идёт без разрывов, сигнал DE включается до старт-бита первого байта и выключается после стоп-бита последнего, а ответ начинается не раньше чем через $t_{3,5}$.
7. Таймаут. Измерьте, через сколько прибор отвечает на самый «тяжёлый» запрос, и задайте таймаут с запасом.
8. Счётчики прибора. Если прибор поддерживает функцию 08, прочитайте счётчик кадров на шине (подфункция 0x0B) и счётчик ошибок связи (0x0C): они покажут, видит ли прибор ваши запросы и сколько из них приходит искажёнными.

Дальше по теме: RS-485 — линия, по которой обычно работает Modbus RTU, UART — формат символа, чётность и точность скорости, RS-232 — соединение «точка — точка». Если узлы должны передавать сами, без опроса ведущим, посмотрите на шину CAN. Остальные интерфейсы — в разделе «Интерфейсы».